O cinturão de Van Allen não é um só: são dois anéis enormes de partículas elétricas presas pelo campo magnético da Terra, um dentro do outro, envolvendo o planeta como duas rosquinhas encaixadas. Foram descobertos em 1958, pelo primeiro satélite americano, e levam o nome do cientista que liderou o projeto do aparelho que tropeçou neles. Eles não têm parede, não se veem a olho nu e não fazem mal a ninguém aqui embaixo — mas, segundo a NASA, oferecem perigo a satélites de comunicação e de GPS e a quem está no espaço, e por isso nenhuma missão é projetada sem levá-los em conta. Inclusive porque um pedaço deles desce bem mais perto do chão justamente sobre o Brasil.
O contador Geiger que parecia ter quebrado
Em 31 de janeiro de 1958, os Estados Unidos lançaram de Cabo Canaveral o Explorer 1, o primeiro satélite americano. Era um tubo fino, e a carga científica cabia num bolso: segundo a NASA, um contador Geiger preso a um gravador de fita em miniatura. Contador Geiger é o aparelho que estala quando passa radiação — aquele que aparece em filme, fazendo "tec-tec-tec" cada vez mais rápido perto de algo radioativo.
Quem cuidava do instrumento e da leitura dos dados era o físico James Van Allen. E os dados vieram estranhos: em certos trechos da órbita, o contador simplesmente parava de contar. Pela ficha da NASA, as contagens do Explorer 1 cessavam acima de 900 milhas, cerca de 1.450 km de altitude.
Um aparelho que para de responder costuma ser um aparelho quebrado. Não era. A explicação que ficou de pé é a oposta: havia radiação ali em quantidade tão grande que o contador saturava, como um ouvido que não distingue mais nada dentro de um show. A NASA resume o achado numa frase: a radiação era mil vezes maior do que qualquer um esperava.
O primeiro satélite americano, projetado para outra coisa, tinha acabado de encontrar a estrutura invisível que envolve o planeta.
São dois, e são feitos de coisas diferentes
A primeira surpresa é que não é uma coisa só. A NASA descreve dois anéis concêntricos de partículas energéticas em volta do planeta — e eles não são feitos do mesmo material nem vêm da mesma origem.
| Cinturão interno | Cinturão externo | |
|---|---|---|
| Do que é feito, principalmente | Prótons | Elétrons |
| De onde vem | Raios cósmicos que batem na atmosfera da Terra | Partículas de alta energia que vêm do Sol |
| Comportamento | Mais estável | Incha e encolhe conforme o Sol |
O de dentro é feito predominantemente de prótons, e a origem é curiosa: ele é o resultado da interação dos raios cósmicos com a atmosfera — ou seja, nasce de uma colisão que acontece aqui mesmo, no limite do nosso ar. O que são esses raios está contado em O que são raios cósmicos?.
O de fora é majoritariamente de elétrons, e esses vêm de longe: são, nas palavras da NASA, bilhões de partículas de alta energia originadas no Sol que acabam presas no campo magnético da Terra. É por isso que ele é o instável dos dois — quando o Sol tem um acesso de raiva, é o cinturão externo que reage.
Sobre a altura, vale uma honestidade: cinturão não tem borda. É uma região onde a concentração de partículas sobe e desce, não um objeto com casca. A NASA dá um ponto de referência — cerca de 600 milhas da superfície, uns 966 km, é onde começa o primeiro dos dois enxames —, mas páginas diferentes descrevem a extensão de jeitos diferentes, umas contando a altitude a partir do chão, outras contando a distância a partir do centro do planeta em "raios terrestres". Quem procurar vai achar números que não batem; eles não batem porque medem coisas diferentes.
Por que uma partícula fica presa ali
Esta é a parte que vale entender, porque explica tudo o mais.
Uma partícula elétrica solta no espaço anda em linha reta. Perto de um planeta com campo magnético, não: ela não consegue atravessar as linhas do campo de lado. O que ela faz é girar em espiral em volta de uma linha magnética, correndo de um polo ao outro, e, ao chegar perto do polo, onde o campo é mais forte, ela volta — e refaz o caminho.
A comparação do dia a dia é uma bolinha de gude numa tigela funda: ela sobe pela parede de um lado, não tem energia para passar da borda, desce, atravessa o fundo e sobe do outro lado. Fica indo e voltando até alguém tirar a tigela. No caso da partícula, a "tigela" é magnética, e a viagem de um polo ao outro leva fração de segundo. Com o tempo, a região se enche.
É exatamente o mesmo mecanismo que vale em outros planetas, e no vizinho que leva o troféu de pior lugar do Sistema Solar — o caso dele está em O cinturão de radiação de Júpiter, o lugar mais hostil.
Quando o Sol manda uma rajada extra de partículas, parte delas consegue descer pelas linhas do campo até a alta atmosfera perto dos polos e acende o céu. É a mesma física das auroras, contada em Aurora boreal: o que é, por que acontece e se aparece no Brasil.
O pedaço que desce sobre o Brasil
Aqui a história fica brasileira.
O campo magnético da Terra não é uma bola bem-comportada centrada no meio do planeta: ele é torto e descentralizado. A consequência é que, sobre o Atlântico Sul — incluindo o sul do Brasil e o Paraguai —, o campo é mais fraco que em qualquer outro lugar. É a Anomalia Magnética do Atlântico Sul, e ela tem artigo próprio em O que é a Anomalia Magnética do Atlântico Sul?.
O efeito prático para quem voa por cima: com o campo mais fraco, as partículas presas descem mais. A NASA cita a Anomalia, ao lado dos cinturões de Van Allen, como fonte de partículas presas que preocupa em órbita baixa. Não é teoria: a Estação Espacial evita programar caminhadas espaciais justamente nas passagens sobre a região, e telescópios em órbita desligam instrumentos ao cruzá-la.
Dito com todas as letras, porque a confusão é comum: isso não representa risco para quem mora aqui embaixo. A atmosfera inteira está entre você e essas partículas.
O que isso faz com satélite e com astronauta
A NASA é direta: satélites que se aventuram nos cinturões podem ser danificados pela radiação, que também afetaria astronautas desprotegidos. E chama a atenção para um detalhe que piora com a tecnologia moderna — um único impacto de partícula pode bagunçar nossos instrumentos e eletrônicos cada vez menores. Quanto mais fino o circuito, menos energia é preciso para corromper um bit.
Por isso o projeto de qualquer missão começa decidindo onde ela vai morar. A maioria dos satélites fica em órbita baixa, por baixo dos cinturões. Quem precisa ficar mais alto convive com o problema, e quem vai à Lua atravessa a região depressa, em vez de ficar parado nela. Os números de dose que um astronauta recebe de fato, e o que eles significam em exames médicos conhecidos, estão em Quanta radiação um astronauta recebe de verdade?.
Há até telescópio projetado em volta dessa restrição. O observatório de raios X Chandra tem uma órbita alucinante, tão alongada que ele passa mais de 75% do tempo acima dos cinturões de radiação — é lá, fora do chiado, que ele consegue trabalhar. A história está em Telescópio Chandra: o que ele enxerga que ninguém mais vê.
2012: as sondas que acharam um terceiro cinturão
Em 30 de agosto de 2012 a NASA lançou duas sondas gêmeas feitas de propósito para morar dentro dos cinturões: as Van Allen Probes. Eram para durar dois anos e duraram quase sete.
Dois dias depois do lançamento — dois dias — um dos instrumentos foi ligado e viu uma coisa que não estava no mapa: um terceiro anel, que ninguém tinha registrado em mais de meio século de observação. Os cientistas acompanharam a estrutura nova por quatro semanas, até que uma onda de choque vinda do Sol passou e a desfez.
O estudo saiu na revista Science, liderado por Daniel Baker, do Laboratório de Física da Atmosfera e do Espaço da Universidade do Colorado em Boulder, que também chefiava o instrumento responsável, o telescópio de elétrons e prótons relativísticos (REPT, na sigla em inglês). A NASA anunciou o achado em 2013.
Vale guardar o que isso significa: descobrir, em 2012, uma peça inteira de uma estrutura que envolve a Terra. A NASA registra que o terceiro cinturão voltou a aparecer mais tarde na missão, em períodos de grande atividade solar. Ele não é permanente; é uma coisa que acontece.
O que mudou no que se sabia
As mesmas sondas desmontaram outra certeza. Entre os dois cinturões existe uma faixa mais vazia, e por décadas se achou que ela se enchia de partículas mais ou menos uma vez a cada dez anos, só em tempestades muito grandes. Um estudo publicado em 28 de dezembro de 2015 no Journal of Geophysical Research mostrou que a faixa se enche de elétrons de energia mais baixa — até 0,8 MeV — na maioria das tempestades geomagnéticas. Os elétrons de energia mais alta, acima de 1 MeV, é que continuam sendo privilégio do cinturão externo.
MeV quer dizer megaelétron-volt, que é só a unidade com que se mede a energia de uma partícula, do mesmo jeito que quilowatt-hora mede a energia da sua conta de luz.
A lição de processo é a mais interessante. Em 1958, um contador que parou de contar encontrou os cinturões; em 2012, duas sondas feitas para estudá-los acharam um pedaço inédito em 48 horas. É um pedaço de natureza que fica logo ali em cima, atravessado todo dia por dezenas de naves — e ainda tem surpresa dentro.
