Red de monitores de neutrones: investigación fundamental y aplicaciones
Los monitores de neutrones son dispositivos estandarizados, situados en distintos lugares del globo. La frecuencia de conteo de cada monitor de neutrones individual mide fundamentalmente rayos cósmicos por encima de un determinado umbral de energía y de rigidez magnética, y que procedan de una situación determinada. Como estos parámetros dependen básicamente de la localización del monitor de neutrones en la Tierra, la interconexión en red de los monitores de neutrones proporciona una mejora notable en la extracción de datos sobre la física de estos fenómenos, tales como el espectro de energía y la dirección de propagación de las partículas primarias. También brindan la oportunidad de utilizar los monitores de neutrones como sistemas de alerta en meteorología espacial. Para esto es necesario tener una red de este tipo de instrumentos en tiempo real, como el NMDB.
¿Por qué necesitamos una red de monitores de neutrones?
Los monitores de neutrones son dispositivos estandarizados situados en diferentes partes del globo. La alta frecuencia de conteo que proporcionan estos dispositivos, comparados con sus equivalentes situados en el espacio, es la principal ventaja competitiva de los monitores de neutrones. Esto permite a las estaciones observar pequeñas variaciones en el corto plazo de la intensidad de los rayos cósmicos (de aproximadamente el 0.5% de magnitud), que no puede conseguirse en detectores situados en el espacio. Por otro lado, a diferencia de los detectores espaciales, los monitores de neutrones no se ven saturados por las intensas ráfagas de partículas energéticas solares. Otra ventaja de los monitores de neutrones es su fiabilidad a largo plazo y que es muy fácil automatizar el proceso de adquisición de datos.
El campo geomagnético introduce dos efectos que dependen específicamente de la situación en la Tierra (ver Rayos Cósmicos y la Tierra):
Un bajo umbral de rigidez magnética (o bajo umbral de corte), por debajo del cual las partículas procedentes del universo no podrían alcanzar la atmósfera bajo la que se encuentra el monitor de neutrones.
Un estrecho cono de visión en el que los rayos cósmicos deben entrar tras pasar la magnetosfera para poder alcanzar el monitor de neutrones (más detalles aquí).
Dadas estas particularidades, se hace necesario establecer una red de monitores de neutrones situadas en distintos lugares geográficos para poder caracterizar el flujo de partículas procedentes de la magnetosfera, tanto por su dirección de llegada como en función de la rigidez magnética. La combinación de la red mundial de monitores de neutrones con la atmósfera de la Tierra y la magnetosfera pueden ser considerados como un instrumento único con capacidad direccional y con resolución energética. Es por esto que los monitores de neutrones han sido históricamente construidos con un diseño estandarizado. El uso de todas las estaciones de forma unificada las convierte en un detector multidireccional, además de mejorar sustancialmente su resolución (< 0.1% para datos horarios) con respecto a un instrumento aislado. El mapa muestra la distribución de los monitores de neutrones alrededor del mundo.
Monitores de neutrones: investigación
A continuación se muestran algunos hechos que hacen necesario el tener monitores de neutrones en diferentes ubicaciones en la Tierra.
Vigilancia a largo plazo de la variación de los rayos cósmicos.
Long term CR variations for 10 GV particles derived from the world wide neutron monitor network from 1957 to 2007.
Estudios a largo plazo sobre los registros de los monitores de neutrones muestran que en cada estación, la frecuencia de conteo varía con el ciclo de actividad solar. Es la modulación solar de los rayos cósmicos galácticos. Para investigar el origen de este fenómeno no podemos sólo fiarnos únicamente en las lecturas de un monitor de neutrones; es necesario inferir la intensidad de rayos cósmicos como una función de la energía o de la rigidez. Como cada estación es sensible a rayos cósmicos por encima de un determinado umbral de rigidez (o de energía) de corte, que depende de su localización en la Tierra, especialmente su latitud, podemos combinar las medidas de estaciones situadas en distintas latitudes, desde las situadas en los polos a las situadas cerca del ecuador. Esto se ha hecho ya para determinar la evolución de los rayos cósmicos a lo largo de la historia que se muestra en la figura, donde se ha representado la intensidad de los rayos cósmicos con una rigidez de 10GV (energía cinética de 9 GeV) con respecto a la evolución de las manchas solares a lo largo de varias décadas.
Características direccionales de los rayos cósmicos solares.
Las redes de alta latitud son esenciales para la medición de las anisotropías relacionadas con eventos de rayos cósmicos transitorios, como los eventos de partículas energéticas solares y el efecto Forbush. Si las estaciones estuvieran situadas en la misma latitud geomagnética, sus rigideces de corte serían equivalentes y, por lo tanto, cualquier variación de su conteo en un momento dado deberían atribuirse a diferentes direcciones de llegada de los rayos cósmicos primarios. Esto se pone de relieve en las observaciones realizadas durante el evento de rayos cósmicos solares del 20 de enero de 2005 con dos monitores de neutrones con rigidez magnética similar. El pico inicial es mucho más fuerte en la estación de Terre Adlie que en la Isla Kerguelen, ya que durante este evento específico las primeras partículas incidieron en la magnetosfera de la Tierra desde el sur debido a una extraña orientación del campo magnético interplanetario. Si está interesado en saber más sobre las direcciones de observación de los monitores de neutrones haga click aquí.
Las redes de monitores de neutrones y las alertas en meteorología espacial.
Acabamos de mostrar por qué las redes de monitores de neutrones son importantes para extraer el máximo de información de las medidas realizadas por estos. Pero las redes también son imprescindibles para el empleo de los monitores de neutrones en las alertas de meteorología espacial, ya estén relacionadas con partículas energéticas solares o con la eyección de masa coronal en dirección a la Tierra.
Alertas por partículas energéticas solares.
Los flujos anormalmente intensos de partículas energéticas procedentes del Sol (SEP, solar energetic particle, partículas energéticas solares) son especialmente molestas en el entorno espacial y otras tecnologías, como las comunicaciones por radio en regiones polares y también para los tripulantes de estaciones espaciales (más detalles aquí). Con el crecimiento de nuestra dependencia de la tecnología espacial se hace así mismo necesario desarrollar herramientas que permitan predecir estos eventos. Los protones y posiblemente neutrones del los rayos cósmicos solares son, aparte de los electrones de alta energía, las partículas más rápidas que alcanzan la Tierra durante un evento dado. No son demasiado numerosos y, por lo tanto, por ellos mismos no constituyen un riesgo. No obstante su aparición anuncia la llegada inminente del grueso de otro grupo de partículas mucho más numeroso de protones y neutrones de menor energía. Puesto que en los eventos solares se producen gran cantidad de protones y neutrones de baja energía, los monitores de neutrones pueden utilizar para emitir alarmas en tiempo real sobre los SEP. Hay dos requisitos fundamentales para este tipo de sistemas de alarma: que detecten los eventos de forma fiable y que no emitan falsas alarmas.
La importancia de los datos en tiempo real producidos por los monitores de neutrones es una de las justificaciones de el proyecto de la red de neutrones NMDB. Dentro de este proyecto se ha construido uno de estos sistemas de alarma, utilizando datos procedentes de, al menos, tres detectores situados en latitudes altas, ya que estos son los detectores más sensibles dado su bajo umbral de rigidez de corte y combinando estos datos con los procedentes de satélites espaciales sobre la emisión de rayos X blandos para saber si se está produciendo una llamarada solar. Cuando un monitor de neutrones registra un conteo que supera la media por minuto durante varios intervalos de medida se establece una alarma. Cuando al menos tres estaciones se encuentren en este estado de alarma, y al menos un canal de rayos X indica que se está produciendo una llamarada solar, se considera que se ha producido un evento especial a nivel del suelo (GLE ground level enhancement)
Los rayos cósmicos para la previsión de emisión de masa coronal relevante.
No sólo las partículas rápidas son relevantes en meteorología espacial. Las emisiones de masa coronal (CME, coronal mass ejections) que se desplazan por el medio interplanetario pueden producir también tormentas geomagnéticas cuando inciden en la magnetosfera de la Tierra. La alteración del campo magnético induce corrientes eléctricas que pueden interferir con el funcionamiento de equipos técnicos de tierra y también a los embarcados en plataformas espaciales. Las medidas proporcionadas por los monitores de neutrones pueden servir para predecir la llegada de CME con dirección a la Tierra, ya que estas alteraciones modifican la propagación de los rayos cósmicos galácticos en la heliosfera.
Cuando una emisión de masa coronal viaja a través del medio interplanetario espacial (ICME), conduciendo una onda de choque en frente de ella, se produce una modificación en la forma en la que los rayos cósmicos galácticos se propagan y la dirección en las que estos alcanzan la Tierra (más información aquí). Como las ondas de choque pueden reflejar partículas cargadas, los rayos cósmicos se ven desviados detrás de esta onda. Como los rayos cósmicos viajan a velocidades muy superiores que los ICME, su vigilancia puede advertir de una región alterada mucho tiempo antes de que ésta alcance la Tierra. Los indicadores que preceden a la llegada de un ICME se identifican en los datos registrados por los monitores de neutrones antes del comienzo de una fuerte tormenta magnética o fenómenos de Forbush de gran escala. Investigaciones detalladas revelan que estos indicadores pueden ser un incremento o una disminución del conteo de rayos cósmicos.
El descenso premonitorio en el conteo de una estación está aparentemente ligado al hecho de estar magnéticamente conectado a la región desviada de los rayos cósmicos aguas abajo de la onda de choque (lo que significa detrás de la onda). Por el mismo motivo es de esperar un aumento del conteo en las estaciones conectadas magnéticamente a las regiones situadas aguas arriba de la onda de choque. Si la Tierra está conectada con esta región, los monitores de neutrones detectarán un incremento de de la intensidad de los rayos cósmicos previa a la llegada de la onda de choque. El efecto de la onda es más evidente por encima de la distancia correspondiente a una órbita circular de la partícula del rayo cósmico del campo magnético situado en frente de la onda (radio de Larmor). En el caso de protones con una rigidez de 10 GV en el fondo inalterado del campo magnético interplanetario medio antes de la llegada de la onda (cerca de 5nT) el radio de Larmor es aproximadamente 0.04 UA (1 UA, unidad astronómica es la distancia media entre la Tierra y el Sol). Una onda de choque que se desplaza a 500 km/s necesita cerca de 4 horas para recorrer esta distancia antes de llegar a la Tierra. Por lo tanto, estas anomalías se observan con más frecuencia en las últimas horas antes de la llegada del choque. La red de monitores de neutrones puede identificar estos síntomas y emitir por lo tanto una advertencia sobre la inminente ocurrencia de una tormenta geomagnética.
Esta figura muestra un ejemplo: es un mapa de las variaciones de las
intensidades de los rayos cósmicos como función asintótica de su dirección de
llegada (en el eje vertical) y el tiempo (en unidades fraccionarias del día, en
el eje horizontal). Los círculos rojos significan un descenso de intensidad y
los amarillos un aumento de la misma. El tamaño del círculo es proporcional a
la amplitud de la variación del rayo cósmico. La línea vertical indica el
momento en el que el choque llegó a la Tierra. A partir de ese momento la
intensidad de los rayos cósmicos disminuye en todos los monitores de neutrones,
tal y como indican los numerosos círculos rojos. Pero se puede observar
claramente en la figura que el descenso en la intensidad de los rayos cósmicos
apareció bastante antes en una estrecha franja longitudinal entre 135°-180°,
que corresponde a la dirección del campo magnético interplanetario. Esto
ocurrió particularmente claro desde el 7 de septiembre a las 23:00 UT (¡24
horas antes de la llegada de la onda de choque a la Tierra!). La depresión del
campo magnético alineado de los rayos cósmicos indicó que la línea del campo
magnético interplanetario que atravesaba la Tierra estaba entonces conectada a
una región que impedía la llegada de rayos cósmicos, la región por detrás de la
onda de choque situada al Este del ICME que se aproximaba. De esta forma las
observaciones en tiempo real de los rayos cósmicos realizadas por la red
mundial de monitores de neutrones pudo servir para advertir sobre un inminente
ICME horas antes de su llegada.
La explotación de esta herramienta de forma operacional es un proyecto para el futuro. El diagrama superior se obtuvo utilizando unos 45 monitores de neutrones. Con este número de estaciones todas las posibles longitudes de llegada a la tierra son supervisadas en cada instante. A la vez que rotan con la Tierra, cada estación puede recorrer un completo círculo de longitudes cada día y, cuantas más estaciones se utilicen más detallado será el resultado obtenido. Si tuviéramos sólo una estación en cada instante, sólo se podría supervisar una sola longitud. Las estaciones europeas y las cercanas a Europa por si mismas no serían suficientes en cualquier caso. La figura muestra a la izquierda el mismo diagrama pero realizado sólo con los datos procedentes de estaciones europeas, y a la derecha utilizando también los datos de estaciones rusas, por lo tanto un estrecho rango de longitudes. Las características precursoras están aún visibles, pero sólo esporádicamente, con lo que no serían suficientes para un sistema de alerta fiable.
Evolución histórica
Históricamente, la red de monitores de neutrones comenzó con J.A. Simpson, que fue el inventor de este instrumento para la detección de neutrones procedentes de rayos cósmicos en la atmósfera en 1948. En muchas de las estaciones de la actualidad, la vigilancia continua de la componente neutrónica comenzó en julio de 1957, coincidiendo con el inicio oficial del Año Geofísico Internacional (IGY 1957).
Los comienzos: El Año Geofísico Internacional y los monitores del tipo IGY.
En 1957-1958 la investigación en este campo fue dirigida por el plan del IGY, y justo después, en 1959, por el programa IGC (International Geophysical Collaboration, Colaboración internacional en geofísica), que surgió como continuación del primero. El 15 de septiembre de 1957, se creó en Izmirán, el centro de datos mundial, Moscú (NIZMIR). En este lugar se concentrarían todas las observaciones del mundo mediante el intercambio de datos. Al mismo tiempo, los datos obtenidos por estaciones soviéticas y euroasiáticas eran reenviados a centros de datos en Estados Unidos (WDC-A) y Japón (WDC-C). Este intercambio de datos estableció un punto de entendimiento mutuo y contacto entre científicos de todas las nacionalidades.
La renovación de la red: los monitores de neutrones de tipo NM64
En la década de los sesenta, la actividad soviética internacional sobre los rayos cósmicos continuo expandiéndose notablemente con el año internacional del Sol (quiescent). En 1964 Hatton y Carmichael desarrollaron un nuevo tipo de monitor de neutrones, el NM64, con tubos contadores más grandes para proporcionar una mejora de la precisión estadística. Las viejas estaciones fueron actualizadas y en otras se crearon nuevos súper monitores. La figura muestra la evolución del número de estaciones equipadas con tubos del tipo IGY y del tipo NM64, así como la evolución de las frecuencias de conteo en el tiempo.
Hacia la base de datos en tiempo real
Desde el primer momento en el que los datos de un monitor de neutrones de una estación moscovita, fueron publicados en internet para su consulta en tiempo real en 1997, comenzó una nueva era en la captura, procesamiento y visualización de datos en tiempo real.
En el presente la red mundial comprende unos 50 monitores de neutrones operacionales, con distintas energías específicas y respuestas ante los rayos cósmicos, Todos los monitores de neutrones funcionan de forma continua, proporcionando datos con un periodo de entre uno y cinco minutos. La mayoría de las estaciones (unas 30) publican sus datos en tiempo real en Internet. Desde enero de 2008 está siendo desarrollada la base de datos mundial de monitores de neutrones (NMDB), un proyecto de e-Infrastructures de la Comisión Europea dentro del séptimo Programa Marco (de la sección de Capacities). Este esfuerzo se ha enfocado al desarrollo de una base de datos de tiempo real para medidas de alta resolución procedentes de monitores de neutrones, que incluya todos las estaciones posibles. El objetivo principal es el desarrollo de un repositorio digital con datos sobre rayos cósmicos, que este disponible públicamente a través de la red Internet a un amplio número de comunidades de usuarios, haciendo uso de un interfaz web estandarizado.
Desarrollos futuros incluirán datos de rayos cósmicos procedentes de otros instrumentos científicos (por ejemplo de redes de telescopios de muones), de forma que estos puedan ser integrados en la misma red.