Los rayos cósmicos y el estado actual de los mismos en la atmósfera terrestre.

Los rayos cósmicos son partículas altamente energéticas que son aceleradas a velocidades cercanas a la de la luz y que llegan a nuestro planeta tras propagarse por el espacio.

Proceden de fenómenos astrofísicos violentos, tales como fulguraciones solares o explosiones de supernovas. Pueden ser acelerados a velocidades relativistas bien por la fuente emisora o por el entorno en el que se mueven.

Los científicos han observado un amplio espectro de rayos cósmicos. Podemos dividirlos, según su composición, en diferentes grupos:

-Electrones y positrones

-Núcleos de hidrógeno

-Núcleos de helio

-Litio, Berilio, Boro

-Carbono, Nitrógeno, Oxígeno, Flúor

-Pesados: del Neón al Potasio

-Muy pesados: del Calcio al Zinc

-Ultrapesados: Z>30

-Antimateria

-Neutrinos

En su camino por el espacio, los rayos cósmicos pueden ver alterada su energía y su composición, por ejemplo, cuando sufren colisiones y crean nuevas partículas. Las desviaciones que sufren en su rumbo mediante deflexiones magnéticas o la modulación solar hace imposible conocer el origen de las partículas, por lo que su estudio no se basa, a diferencia de otras ramas de la astrofísica, en observar un objeto concreto del cielo.

Al llegar a la Tierra los rayos cósmicos menos energéticos son absorbidos por las capas altas de la atmósfera mientras que los más energéticos penetran en nuestra atmósfera interaccionando con sus átomos, produciendo lo que se denominan «cascadas» o “lluvias” de partículas. En este fenómeno se excitan los átomos y se generan nuevas partículas. Éstas, a su vez, colisionan contra otras y provocan una serie de reacciones nucleares, que originan nuevas partículas que repiten el proceso en cascada. Así puede formarse una cascada de más de 1011 nuevas partículas. Los corpúsculos integrantes de las cascadas se pueden medir con distintos tipos de detectores de partículas, generalmente basados en la ionización de la materia.

Los rayos cósmicos, compuestos principalmente por partículas cargadas, al incidir (interaccionar) sobre los átomos y moléculas de la atmósfera terrestre (el medio), producen otras partículas, las cuales producen más partículas, y éstas producen más, creándose una verdadera cascada de partículas (muchas de ellas cargadas eléctricamente). Cada una de estas partículas polariza asimétricamente las moléculas de nitrógeno y oxígeno (componentes principales de la atmósfera terrestre) con las que se encuentra a su paso, las cuales, al despolarizarse espontáneamente, emiten radiación.

Cuando un rayo cósmico primario entra en la atmósfera se produce una cascada de partículas elementales muchas de las cuales pueden alcanzar la superficie terrestre.

Como hemos mencionado anteriormente, los rayos cósmicos sufren una variación composicional y energética desde que son eyectados desde su fuente, por lo que podemos clasificar dicha composición en tres tipos:

-Primordial: la composición original con la que los rayos parten desde su fuente.

-Primaria: composición con la que las partículas llegan a la Tierra.

-Secundaria: composición que alcanzan las partículas dentro de la atmósfera mediante la interacción con otros átomos.

La energía que poseen las partículas que llegan a la Tierra también es muy variada: desde energías inferiores a los TeV, a grandes energías superiores a los 10^20 eV.

 

 

En cuanto a su origen, los rayos cósmicos más abundantes proceden de nuestro propio Sol. El resto provienen de nuestra galaxia, pero una pequeña porción tiene un origen extragaláctico, procedentes de los núcleos activos de otras galaxias.

Los rayos cósmicos no sólo tienen importancia en los estudios astrofísicos. También afectan a la biosfera y a la meteorología espacial. Los ingenieros también deben tener en cuenta sus efectos a la hora de diseñar las tecnologías espaciales.

Actualmente hay varios proyectos destinados al estudio de los rayos cósmicos. Podemos destacar el Observatorio Pierre Auger, situado en la ciudad de Malargüe, en la provincia de Mendoza, Argentina, es una iniciativa conjunta de más de 20 países en la que colaboran unos 400 científicos de más de 80 instituciones, con la finalidad de detectar partículas subatómicas que provienen de los rayos cósmicos.

 

 

 

También es conocido el proyecto MAGIC (Major Atmospheric Gamma-ray Imaging Cherenkov Telescope), o sea «Telescopio de rayos gamma por emisión de radiación Cherenkov en la atmósfera». Está localizado en el Observatorio del Roque de los Muchachos en La Palma (Islas Canarias). Tras su construcción en 2004, MAGIC era un solo telescopio Cherenkov con un espejo de 17 metros de diámetro y un área de 240 metros cuadrados, capaz de detectar los destellos de luz producidos en la atmósfera por rayos cósmicos.

Rayos cósmicos en la atmósfera en el presente momento de tránsito hacia el mínimo de actividad del ciclo solar.

Comencemos con una imagen en la que se comparan las dosis de radiación medidas no sólo en la estratosfera, sino también a altitudes de la aviación comercial.

 

Las dosis de radiación vienen expresadas como múltiplos de la existente a nivel del mar. Por ejemplo, para un avión que vuele a 25.000 pies (7.620 metros), la exposición a que somete a los pasajeros  es a dosis 10 veces superiores que a nivel del mar. A 40.000 pies (12.192 metros),  la exposición se multiplica por 50. Estas medidas se han realizado por medidores de rayos cósmicos en globos de helio  fletados al efecto y tomadas a altitudes típicas de rutas de aviones comerciales, conforme ascienden hacia la estratosfera, sobre California.

Según todos los estudios y los indicadores analizados, los rayos cósmicos se están intensificando, alcanzando cotas de más del 12% respecto a valores de 2015.

Pero… ¿por qué se están intensificando los rayos cósmicos? La razón principal es el Sol. Las “nubes” de las tormentas solares, tales como las eyecciones coronales de masa, barren los rayos cósmicos al paso de la Tierra. Durante los máximos solares, la abundancia de dichas eyecciones coronales de masa hacen que los rayos cósmicos  se mantengan a raya. Ahora, sin embargo, el ciclo solar está encaminado hacia el mínimo, lo que permite a los rayos cósmicos retornar y alcanzar la atmósfera terrestre. Otro motivo añadido podría ser el debilitamiento del campo magnético terrestre, que de forma habitual nos protege de las radiaciones procedentes del espacio profundo.

Los sensores de radiación a bordo de los globos de helio, detectan rayos X y rayos gamma en los rangos energéticos de 10 KeV a 20 MeV. Estas energías abarcan el rango de los aparatos de rayos X médicos y los escáneres de seguridad de los aeropuertos.

Los puntos en la gráfica (arriba) corresponden a picos del máximo de Reneger – Pfotzer, próximo a altitudes sobre los 67.000 pies (20.421 metros).

Cuando los rayos cósmicos alcanzan la atmósfera, producen una cascada de partículas menos energéticas que la original, pero en una cuantía ingente y mucho más intensas a la entrada de la estratosfera. Reneger y Pfotzer descubrieron el máximo estudiando los resultados a partir de datos de balones de helio en la década de los años 30 del siglo XX, de igual forma a como lo hacemos hoy día.

En los años 30 del siglo XX, Erich Regener realizó un importantísimo trabajo en las medidas de la dosis de radiación de ionización en las profundidades acuáticas y e n la atmósfera. De forma conjunta con uno de los estudiantes de sus cursos, Georg Pfotzer, descubrió y estableció la altitud a la que se produce el máximo de ionización en la atmósfera, a menudo conocida como máximo Pfotzer. Regener fue uno de los primeros en estimar la densidad energética de los rayos cósmicos, una estimación que fue posteriormente utilizada por Baader y Zwicky para reforzar sus postulados respecto a que las supernovas podrían ser una de las fuentes de estos rayos cósmicos. El nombre de Regener nunca tuvo el reconocimiento que entendemos que realmente merecía, quizá porque en 1937 se vio forzado a un retiro involuntario de las actividades profesionales a causa de los antecesores judíos de su familia. Sin embargo, fue propuesto para el Nobel en Física, por Schrödinger en 1938. Murió en 1955 a la edad de 73 años.

Erich Regener

 

Georg Pfotzer

Sus trabajos sobre medida de rayos cósmicos y las conclusiones que permitieron el avance de otros científicos en la materia, quizá fueran suficientes para que se tuviera en cuenta la posibilidad de renombrar el máximo de ionización atmosférica al que aludíamos anteriormente.

 

Fuentes: Astrofísica y Física; Vega 0.0, Spaceweather, imágenes de la web, Wikipedia.

 

 

 

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