Wissenschaftler der University of California in Los Angeles (UCLA) haben das rätselhafte Verschwinden von energetischen Elektronen im äußeren Strahlungsgürtel der Erde erklärt. Sie verwendeten dafür Daten mehrerer im Orbit kreisender Satelliten.

In einer am 29. Januar 2012 veröffentlichten Studie in der Online-Ausgabe des Journals Nature Physics zeigt das Team, dass die verschwundenen Elektronen während Perioden erhöhter Sonnenaktivität von einer Strömung aus Sonnenwindpartikeln von dem Planeten fortgerissen werden.

"Dies ist ein wichtiger Meilenstein für das Verständnis der irdischen Weltraumumgebung", sagte der leitende Autor der Studie Drew Turner, Forscher am Department of Earth and Space Sciences der UCLA und Mitglied des Institute for Geophysics and Planetary Physics (IGPP). "Wir sind einen Schritt näher am Verständnis und der Vorhersage von Weltraumwetter-Phänomenen."

Während starker solarer Ereignisse wie koronalen Masseauswürfen prallen Teile der magnetisierten äußeren Schichten der Sonnenatmosphäre auf das Erdmagnetfeld und lösen geomagnetische Stürme aus, die in der Lage sind, die Elektronik vom Satelliten zu beschädigen. Diese kosmischen Sturmböen haben besondere Auswirkungen auf den äußeren Strahlungsgürtel der Erde, eine doughnut-förmige Region, die mit so energiereichen Elektronen aufgefüllt ist, so dass sie sich mit annähernd Lichtgeschwindigkeit bewegen.

"Wenn ein geomagnetischer Sturm beginnt, verschwinden nahezu alle in dem Strahlungsgürtel gefangenen Elektronen, nur um wenige Stunden später wieder zurückzukehren", sagte Vassilis Angelopoulos, Professor für Erd- und Weltraumwissenschaften an der UCLA und Forscher am IGPP.

"Die verschwundenen Elektronen überraschten Wissenschaftler, als das Phänomen in den 1960er Jahren erstmals von Instrumenten an Bord des ersten in die Umlaufbahn gebrachten Satelliten", sagte der Co-Autor der Studie Yuri Shprits, ein Geophysiker vom IGPP und der Abteilungen für Erd- und Weltraumwissenschaften und atmosphärische und Ozean-wissenschaften.

"Es ist ein rätselhafter Effekt", sagte er. "Die Ozeane auf der Erde verlieren nicht plötzlich den Großteil ihres Wassers, jedoch können mit Elektronen aufgefüllte Strahlungsgürtel schnell entvölkert werden."

Noch seltsamer, die Elektronen verschwinden während des Höhepunktes eines geomagnetischen Sturms, zu einem Zeitpunkt, an dem man erwarten würde, dass der Strahlungsgürtel aufgrund des extremen Bombardements durch den Sonnenwind mit energiereichen Partikeln geflutet wird.

Wohin verschwinden die Elektronen? Diese Frage blieb seit den frühen 1960er Jahren ein ungelöstes Rätsel. Einige glaubten, die Elektronen gingen an die Erdatmosphäre verloren, während andere vermuteten, dass die Elektronen nicht permanent verloren gehen, sondern größtenteils temporär ihrer Energie beraubt werden, so das sie abwesend erscheinen.
"Unsere Studie aus dem Jahr 2006 deutete darauf hin, dass die Elektronen tatsächlich in das interplanetare Medium verschwinden und durch die Bewegung nach außen verlangsamt werden könnten", sagte Shprits. "Allerdings gab es bislang keinen definitiven Beweis für diese Theorie."

Um das Rätsel zu lösen, verwendeten Turner und sein Team Daten dreier Netzwerke aus Satelliten, welche die Erde in unterschiedlichen Entfernungen umkreisen, um die flüchtenden Elektronen auf frischer Tat zu ertappen. Die Daten zeigen, dass eine kleine Menge der verschwundenen energiereichen Elektronen in die Atmosphäre fielen. Der Großteil von ihnen wurde von dem Planeten weggedrückt - fortgerissen aus dem Strahlungsgürtel durch den Ansturm der Sonnenwindpartikel während der erhöhten Sonnenaktivität, welche den magnetischen Sturm selbst erzeugte.

Ein besseres Verständnis der irdischen Strahlungsgürtel sei wichtig für den Schutz der Satelliten, auf die wir unsere Positionsbestimmungssysteme, Kommunikation und Wetterüberwachung stützen, sagte Turner. Der äußere Strahlungsgürtel der Erde ist eine harsche Strahlungsumgebung für Raumfahrzeuge und Astronauten. Die hochenergetischen Elektronen können den Schild eines Raumfahrzeuges durchdringen und verheerenden Schaden an seiner empfindlichen Elektronik anrichten. Geomagnetische Stürme, ausgelöst durch das Auftreffen der Partikel auf die irdische Magnetosphäre, können einen teilweisen oder vollständigen Ausfall eines Raumfahrzeugs verursachen.



"Obwohl die meisten Satelliten mit einem gewissen Strahlungsschutz im Hinterkopf entwickelt werden, müssen sich Raumfahrt-Ingenieure sich auf Näherungen und Statistiken stützen, weil ihnen die Daten fehlen, um das Verhalten hochenergetischer Elektronen im äußeren Strahlungsgürtel nachzubilden und vorherzusagen", sagte Turner.

"Während des 'Halloween-Sturms' im Jahre 2003 meldeten über 30 Satelliten Fehlfunktionen und einer war ein Totalverlust", sagte Angelopoulos, ein Co-Autor der aktuellen Forschungsarbeit. Wenn sich 2013 das Sonnenmaximum nähert und den Gipfel der Sonnenaktivität in einem elfjährigen Zyklus markiert, könnten geomagnetische Stürme mehrere Male im Monat auftreten.

"Hochenergetische Elektronen können die Lebensdauer eines Raumfahrzeugs entscheidend verkürzen", sagte Turner. "Satelliten, die eine ausgedehnte Zeitperiode innerhalb des aktiven Strahlungsgürtel verbringen, könnten Jahre früher aufhören zu funktionieren."

Während Satelliten mehrfach redundante Schaltkreise enthalten können, um das Risiko eines Totalausfalls im Verlauf eines solaren Ereignisses zu reduzieren, haben menschliche Kundschafter in der Umlaufbahn nicht denselben Luxus. Hochenergetische Elektronen können die Raumanzüge der Astronauten durchdringen und ernsthafte Gesundheitsrisiken bedeuten", sagte Turner.

"Als Gesellschaft sind wir von weltraumbasierter Technologie unglaublich abhängig geworden", sagte er. "Diese energiereichen Elektronen und ihre extremen Veränderungen zu verstehen, wird dabei helfen, genauere Modelle zu entwickeln, um die Auswirkungen geomagnetischer Stürme auf die Strahlungsgürtel vorherzusagen."

Die wichtigsten Beobachtungsdaten dieser Studie wurden von einem Netzwerk aus NASA-Satelliten namens THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) gesammelt. Angelopoulos ist der leitende Wissenschaftler der THEMIS-Mission. Weitere Informationen sammelten zwei Gruppen von Wettersatelliten namens POES (Polar Operational Environmental Satellite) und GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite).

Eine neue Zusammenarbeit zwischen der UCLA und der Moscow State University in Russland verspricht, ein noch genaueres Bild dieser verschwindenden Elektronen zu zeichnen. Der Start sei für den Frühling 2012 geplant und der Satellit Lomonosov werde in einer niedrigen Erdumlaufbahn fliegen, um hochenergetische Teilchen mit beispielloser Genauigkeit zu messen, sagte Shprits, der leitende Forscher des Projekts. Mehrere Schlüsselinstrumente der Mission werden an der UCLA entwickelt und zusammengesetzt.

Die Strahlungsgürtel der Erde wurden 1958 von Explorer I entdeckt, dem ersten US-Satelliten, der in den Weltraum geschickt wurde.

"Was wir untersuchen ist die erste Entdeckung des Weltraumzeitalters", sagte Shprits. "Die Menschen erkannten, dass der Start von Raumfahrzeugen nicht nur Nachrichten machte, sie konnten auch wissenschaftliche Entdeckungen machen, die vollkommen unerwartet waren."

Dieses Projekt erhielt staatliche Finanzierung von der NASA und der National Science Foundation. Unter den Co-Autoren war auch Michael Hartinger, ein Student der Erd- und Weltraumwissenschaften an der UCLA.

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