Van Allen Probes entdecken eine fast undurchdringbare Barriere in den Strahlungsgürteln

Zwei donutförmige Strahlungsregionen, die die Erde umgeben (die Van-Allen-Strahlungsgürtel), besitzen eine fast undurchdringbare Barriere, welche die schnellsten, energiereichsten Elektronen davon abhält, die Erde zu erreichen.

Die Van-Allen-Gürtel sind eine Ansammlung geladener Teilchen, die durch das Erdmagnetfeld in Position gehalten werden. In Reaktion auf die eintreffende Sonnenenergie können sie sich ausdehnen oder schrumpfen – manchmal schwellen sie so sehr an, dass sie Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen schädigender Strahlung aussetzen. Die Entdeckung der Struktur, die als eine Barriere innerhalb der Gürtel agiert, wurde mit den Van Allen Probes der NASA gemacht, die im August 2012 starteten, um die Region zu untersuchen. Eine Abhandlung über die Ergebnisse erschien am 27. November 2014 in dem Journal Nature.

“Diese Barriere für die ultraschnellen Elektronen ist eine bemerkenswerte Eigenschaft der Strahlungsgürtel”, sagte Dan Baker, ein Weltraumwissenschaftler von der University of Colorado in Boulder und Erstautor der Studie. “Wir sind zum ersten Mal in der Lage, sie zu untersuchen, weil wir bislang nie so genaue Messungen dieser hochenergetischen Elektronen hatten.”

Zu verstehen, was den Strahlungsgürteln ihre Form gibt und was die Art und Weise ihrer Ausdehnung oder ihres Schrumpfens beeinflussen kann, hilft Forschern dabei, den Beginn dieser Veränderungen vorherzusagen. Solche Vorhersagen können Wissenschaftler dabei unterstützten, Satelliten in dem Gebiet vor der Strahlung zu schützen.

Die Van-Allen-Gürtel waren die erste Entdeckung des Raumfahrtzeitalters und wurden 1958 von einem gestarteten US-Satelliten namens Explorer 1 registriert. In den nachfolgenden Jahrzehnten haben die Wissenschaftler in Erfahrung gebracht, dass sich die Größe der beiden Strahlungsgürtel verändern kann – sie können verschmelzen oder sich gelegentlich auch in drei Gürtel aufspalten. Aber normalerweise erstreckt sich der innere Gürtel von circa 640 Kilometern Höhe bis etwa 9.650 Kilometer oberhalb der Erdoberfläche und der äußere Gürtel beginnt in ungefähr 13.500 Kilometern Höhe und erstreckt sich bis in eine Höhe von etwa 57.900 Kilometern.

Üblicherweise trennt ein Bereich recht leeren Weltraums die Gürtel voneinander. Aber was hält sie auseinander? Warum gibt es zwischen den Gürteln eine Region ohne Elektronen? Hier kommt die neu entdeckte Barriere ins Spiel. Die Daten der Van Allen Probes zeigen, dass der innere Rand des äußeren Gürtels tatsächlich sehr stark ausgeprägt ist. Für die schnellsten, energiereichsten Elektronen stellt dieser Rand eine scharfe Grenze dar, in die die Elektronen unter normalen Umständen einfach nicht eindringen können.

“Wenn man wirklich energiereiche Elektronen betrachtet, können sie sich der Erde nur bis auf eine bestimmte Entfernung nähern”, sagte Shri Kanekal, der stellvertretende Leiter der Van Allen Probes Mission vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt (Maryland) und Co-Autor der Nature-Studie. “Das ist völlig neu. Wir haben das sicher nicht erwartet.”

Videoanimation der Strahlungsgürtel und der Wechselwirkungen mit der Plasmasphäre. (NASA / Scientific Visualization Studio)

Das Team schaute sich die möglichen Ursachen an. Die Forscher stellten fest, dass menschgemachte Übertragungen nicht die Ursache der Grenze sind. Sie betrachteten darüber hinaus auch physikalische Ursachen. Könnte die Form des die Erde umgebenden Magnetfeldes die Barriere erzeugen? Sie untersuchten diese Möglichkeit, aber schlossen sie aus. Was ist mit der Präsenz anderer Teilchen? Das scheint eine wahrscheinlichere Ursache zu sein.

Die Strahlungsgürtel sind nicht nur Teilchenstrukturen, die die Erde umgeben. Eine riesige Wolke aus relativ kühlen, geladenen Partikeln – die Plasmasphäre – füllt die äußerste Region der Erdatmosphäre, welche in rund 960 Kilometern Höhe beginnt und sich teilweise bis in den äußeren Van-Allen-Gürtel erstreckt. Die Teilchen an der äußeren Grenze der Plasmasphäre sorgen dafür, dass sich die Teilchen im äußeren Strahlungsgürtel zerstreuen, woraufhin sie dem Gürtel entzogen werden.

Dieser Zerstreuungseffekt ist recht schwach und reicht möglicherweise nicht aus, um die Elektronen an der Grenze in Position zu halten – bis auf eine Laune der Geometrie: Die Elektronen des Strahlungsgürtels bewegen sich unglaublich schnell, aber nicht in Richtung Erde. Stattdessen beschreiben sie riesige Bögen um die Erde herum. Die Daten der Van Allen Probes belegen, dass sich die energiereichsten Elektronen in Richtung Erde nur wenig bewegen – nur ein leichtes, langsames Treiben, das im Verlauf von Monaten stattfindet. Dies ist eine Bewegung, die so langsam und schwach ist, dass sie durch die von der Plasmasphäre verursachten Zerstreuung zurückgestoßen werden kann.

Das hilft auch bei der Erklärung, warum die Elektronen aus dem äußeren Gürtel unter extremen Bedingungen (wenn ein besonders starker Sonnenwind oder ein gigantische Sonneneruption wie ein koronaler Massenauswurf Materiewolken in den erdnahen Weltraum schleudert) in den sonst leeren Bereich zwischen den Gürteln gedrückt werden können.

“Die Zerstreuung aufgrund der Plasmasphäre ist stark genug, um am inneren Rand des äußeren Van-Allen-Gürtels eine Wand zu erschaffen”, sagte Baker. “Aber ein starkes Sonnenwind-Ereignis lässt die Grenze der Plasmasphäre nach innen wandern.”

Ein massiver Materiezustrom von der Sonne kann die äußere Plasmasphäre erodieren und ihre Grenzen nach innen verschieben, was den Elektronen aus den Strahlungsgürteln ebenfalls den Raum bietet, sich weiter nach innen zu bewegen.

Das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Laurel (Maryland) konstruierte und betreibt die Van Allen Probes für das Science Mission Directorate. Die Mission ist die zweite des Living With a Star Programms, das vom Goddard Space Flight Center geleitet wird.

Quelle: http://www.nasa.gov/content/goddard/van-allen-probes-spot-impenetrable-barrier-in-space/index.html

(THK)