Una «rareza espacial»*

*Traducción literal del título de la canción “Space Oddity” de David Bowie.

Hace unos días analizábamos la exposición a la radiación a la que se ven sometidos los tripulantes de los aviones comerciales como consecuencia de su trabajo. Vimos que ésta tenía dos componentes fundamentales: la radiación cósmica galáctica (GCR) y el propio viento solar y que ambos eran atenuados en gran medida por el campo magnético terrestre.

La pregunta que surgió de forma natural a partir de esa información fue: ¿qué ocurre entonces cuando nos alejamos aún más de nuestro planeta?

Intentaremos aquí responder a esta pregunta al menos en lo que se refiere a las misiones espaciales orbitales a baja altura. Éstas son las que han ocupado la mayor actividad espacial en las últimas décadas y cubren las órbitas de los satélites artificiales y las misiones tripuladas de la Estación Espacial Internacional (ISS) y de la rusa (MIR),  así como las de los transbordadores espaciales (STS).

A medida que nos alejamos de la Tierra, la protección del campo magnético terrestre va disminuyendo. Por lo tanto el efecto de la GCR y el viento solar se van intensificando. Pero además durante este proceso de salida de la magnetosfera aparecen unos “invitados  no esperados” que complican la situación.

Los cinturones de radiación de Van Allen

Desde el descubrimiento de la radiación cósmica se supuso que, a medida que atravesásemos la atmosfera para salir de la Tierra, el nivel de radiación iría aumentando de forma progresiva. Sin embargo,  el equipo de James Van Allen en 1958 confirmó, mediante detectores situados en la primera nave espacial estadounidense puesta en órbita (Explorer I), las medidas previas que se habían realizado con globos aerostáticos: la dosis de radiación no varía de forma continua, sino que experimenta dos máximos muy acusados en dos regiones de la magnetosfera.

Globo utilizado por la NASA. Fuente: http://www.nsbf.nasa.gov/album.html

James Van Allen (en el centro) mostrando la maqueta del primer satélite puesto en órbita por EE.UU. en 1958 (Explorer I). Fuente: http://www.nasa.gov/vision/universe/features/james_van_allen.html

Las medidas del Explorer I, complementadas con otras realizadas con la nave Explorer III, permitieron detectar la existencia de partículas cargadas, provenientes del viento solar y la GCR “atrapadas” por el campo geomagnético, en una región (con forma de toroide) que se extiende desde los 600 hasta unos 6000 km de la superficie terrestre. Estas partículas son en su mayoría protones de alta energía (10 a 100 MeV) capaces de penetrar en las naves espaciales y suponen un riesgo tanto para los tripulantes como para la propia instrumentación. Tanto los vuelos tripulados como los no tripulados evitan en la medida de lo posible atravesar esta región, conocida como primer cinturón o cinturón interior de Van Allen.

Medidas realizadas en posteriores misiones espaciales (Pioneer 3 y Explorer IV) permitieron descubrir un segundo cinturón (cinturón exterior o segundo cinturón de Van Allen) que se extiende desde los 10000 hasta los 65000 km de la superficie terrestre (con una zona de máxima intensidad de radiación entre los 14500 y 19000 km). En este caso existe una población más variada de partículas, incluyendo principalmente electrones además de varios tipos de iones, con energías comprendidas entre los 5 y los 20 MeV. Este cinturón, por su situación, es el más peligroso para los satélites artificiales cuyas órbitas lo atraviesan, ya que sus circuitos pueden resultar dañados por estas partículas de alta energía.

Los satélites GPS, por ejemplo, están situados a una altitud de unos 20000 km, cerca del pico de intensidad del cinturón exterior. La intensa radiación a que se ven sometidos hacen que sus paneles solares pierdan un 25% de eficiencia en su ciclo del vida útil (7.5 años). Cuando se producen eventos solares, que aumentan la población de partículas de los cinturones, su capacidad generadora de electricidad se reduce aún más.

Es tal la importancia de estos cinturones de radiación para seguridad de los satélites y naves tripuladas, que la NASA en Agosto de 2012 lanzó al espacio las sondas gemelas Van Allen, equipadas con detectores específicos para caracterizar con detalle esta región del espacio y su evolución con parámetros como las variaciones en el viento solar. Podemos considerarlas como “los Meteosat de la magnetosfera”.

Posición de la Estación Espacial Internacional, los satélites GPS, las sondas Van Allen y una órbita geosíncrona respecto a los cinturones de radiación de Van Allen. Fuente: http://www.nasa.gov/mission_pages/rbsp/multimedia/20130228_briefing_materials.html

Mientras que el primer cinturón permanece bastante estable en el tiempo, el segundo sufre amplias fluctuaciones en su extensión y población de partículas, especialmente cuando se producen eventos solares, que inyectan nuevas partículas dentro del mismo.

Video que muestra los cambios en forma e intensidad de los cinturones de Van Allen entre el 7 de septiembre y el 20 de octubre de 2012.
Fuente: http://svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000/a011000/a011013/3950_RBSP_540_MASTER_high.mp4

Gracias a los datos aportados por las sondas Van Allen, se ha descubierto recientemente la existencia de un tercer cinturón en el que se han detectado electrones ultra-relativistas moviéndose a velocidades de hasta un 99.9% de la velocidad de la luz (un verdadero acelerador natural de partículas). En diciembre de 2013 se publicó un artículo en la revista Nature que parece haber aclarado los mecanismos que provocan esas aceleraciones hasta los límites de la física.

Una peligrosa anomalía

Salvo las misiones Apolo, el resto de misiones espaciales tripuladas se han mantenido muy por debajo de las altitudes de los cinturones de Van Allen. Sin embargo una parte del cinturón interior penetra hasta una altitud de unos 200 km en la zona superior de la atmósfera, sobre el Océano Atlántico de la costa brasileña.

Distribución de la anomalía Sudantlántica sobre el planisferio terrestre. Fuente: http://heasarc.gsfc.nasa.gov/docs/rosat/gallery/display/saa.html

Esta región se conoce como la Anomalía Sudatlántica (SAA) y se debe a la inclinación de unos 11º del eje de rotación de la Tierra respecto del eje del campo geomagnético.

Anomalía Sudaltlántica y cinturones de Van Allen. Fuente: http://srag.jsc.nasa.gov/SpaceRadiation/What/What.cfm

Una buena parte de la exposición a la radiación recibida durante las misiones espaciales orbitales se debe al paso de las naves a través de esta región, ya que tanto las naves espaciales tripuladas como los satélites situados a estas altitudes atraviesan de forma periódica esta anomalía varias veces al día.

Algunos datos experimentales

Estudios realizados en la estación espacial MIR en una órbita de 52º, a unos 390 km de altitud, durante las misiones Mir-18 y Mir-19, dieron como resultado una tasa de dosis equivalente de 461 µSv/día debida a la GCR y 298 µSv/día debida a la radiación de los cinturones de Van Allen, con una dosis total de 781 µSv/día. Estas misiones coincidieron con un mínimo de actividad solar. Este estudio concluye que, considerando únicamente las dosis debidas a la GCR y a las partículas atrapadas en los cinturones de Van Allen, para no exceder los límites establecidos en ese momento para los astronautas (1-4 Sv) para toda su carrera, éstos se podrían mantener en órbita un máximo de 3 años.

En un estudio realizado durante las misiones del transbordador espacial STS-112 y STS-114 estimaron unas dosis equivalentes de unos 3 y 4 mSv, para unos tiempos de vuelo de 260 y 333 horas respectivamente.

Aproximadamente, la mitad de la dosis de radiación que reciben los astronautas de la Estación Espacial Internacional (ISS)  se debe a los protones atrapados en la SAA (unos 20 µSv cada vez que atraviesan esta región, o 300 µSv al día) y la otra mitad a la GCR a mayores latitudes. La tercera fuente de radiación son los flujos de partículas procedentes de los eventos solares (unos 50 eventos en cada ciclo de 11 años), aunque esta componente es muy variable y resulta impredecible (siendo más probables en las fases de mayor actividad del ciclo solar).

El telescopio espacial Hubble atraviesa esta región unas 10 veces al día y durante el tránsito no puede realizar observaciones y debe desactivar todos sus sensores.

Los astronautas de la ISS sufren efectos ópticos a modo de ráfagas de luz provocados por la interacción de estas partículas con el ojo o la estimulación directa de la retina.

En las planificaciones de las misiones se evita realizar “paseos espaciales” al atravesar esta zona.

Límites de dosis

Con este panorama podemos entender que los límites de dosis que se aplican a los trabajadores profesionalmente expuestos a radiaciones en la Tierra van a ser difícilmente aplicables a las tripulaciones de las naves espaciales en órbita.

En este asunto, los criterios adoptados por las distintas agencias espaciales para el caso concreto de los vuelos de la ISS son variados.

La NASA, basándose en las recomendaciones del Consejo Nacional para la Protección y Medición de las Radiaciones (NCRP), establece unos límites tales que supongan un incremento máximo del riesgo individual de contraer un cáncer fatal inducido por la radiación del 3%, es decir, asumiendo un riesgo de un 20% de probabilidad de contraer un cáncer fatal por otros motivos, el riesgo combinado para los astronautas sería del 23%. Esto se traduce en unos límites para toda su carrera de entre 1 y 4 Sv dependiendo de la edad y el sexo del astronauta.

Las Agencias Espaciales Europea (ESA), Rusa (FKA) y Japonesa (JAXA) se basan en las recomendaciones de la ICRP y establecen unos límites de dosis independientes del sexo y la edad. El límite de dosis para toda la carrera de un astronauta o cosmonauta se establece en 1 Sv.

Para efectos deterministas, el único límite en el que hay consenso es el de los órganos hematopoyéticos, que se establece en 0.25 Sv en 30 días y 0.50 Sv anuales.

Un fenómeno no tan raro

A pesar del título elegido para esta entrada (que no ha sido más que una simple excusa para “colar” la canción de Bowie), los cinturones de radiación de los que he hablado no son ninguna rareza en el Universo, sino todo lo contrario. Multitud de objetos, desde planetas a estrellas e incluso galaxias completas presentan campos magnéticos que interaccionan con las partículas cargadas. Como muestra, baste decir que los cinturones de radiación que rodean el planeta Júpiter tienen una intensidad miles de veces mayor que los de la Tierra.

Por último un ejemplo de que, cuando pone empeño, el ser humano es capaz de superar las mayores cotas de estupidez imaginables: en sus jugueteos con las bombas atómicas durante los años 60 del siglo XX, las potencias nucleares nos regalaron un cinturón artificial de radiación que estuvo situado entre los dos cinturones naturales de Van Allen, aunque afortunadamente ya ha desaparecido. Aun así, las misiones del trasbordador espacial durante los años 80 consiguieron detectar todavía algunas trazas de este “logro de la humanidad”.