Was den Nachthimmel zum Schimmern bringt

20. Mai 2016, 12:13
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Wenn der Sonnenwind auf die Magnetosphäre der Erde trifft: Am Institut für Weltraumforschung (IWF) in Graz werden die physikalischen Vorgänge hinter den Polarlichtern erforscht

Wien – Grüne, rote, violette Schleier erleuchten den Nachthimmel über den Polen. Die farbigen Bögen, Bänder und Koronen entstehen, wenn geladene Teilchen entlang der Feldlinien der Magnetosphäre Richtung Erde reisen und in der Atmosphäre mit Sauerstoff- und Stickstoffatomen interagieren. Die Energie, die diese Teilchen bis zur Erde vordringen lässt, stammt von der Sonne, die permanent Teilchenströme als Sonnenwind ins All entlässt.

Rumi Nakamura hat sich den Großteil ihrer Karriere mit den physikalischen Vorgängen hinter den Polarlichtern beschäftigt. Die Geowissenschafterin, die heute Gruppenleiterin am Institut für Weltraumforschung (IWF) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) in Graz ist, wurde schon während ihres Studiums in Japan von den Lichtphänomenen in ihren Bann gezogen.

Die Magnetosphären-Forscherin arbeitete nach ihrer Dissertation zur Polarlicht-Dynamik an der Universität Tokio, am Nasa Goddard Space Flight Center in den USA, an der Universität Nagoya in Japan und am deutschen Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik. Seit 15 Jahren beschäftigt sie sich am IWF mit Weltraumplasmaphysik. Vor kurzem stellte sie ihre Arbeit bei der "Yuris Night" vor, die unter anderem vom Verkehrsministerium und der Förderagentur FFG unterstützt wird.

Im Fokus von Nakamuras derzeitigen Analysen stehen jene Regionen, in denen der Sonnenwind auf die äußere, nur schwach ausgeprägte Magnetosphäre trifft und in komplexen Prozessen mit ihr interagiert. In dieser Zone entstehen abrupte Veränderungen im Magnetfeld, die hohe Energiemengen freisetzen. "Bei der Wechselwirkung wird die Energie des Sonnenwinds in die Erdmagnetosphäre transferiert. Die Teilchen werden beschleunigt, und es kommt letzten Endes zu Phänomenen wie den Polarlichtern", so Nakamura. "Diesen Prozess der sogenannten magnetischen Rekonnexion wollen wir besser verstehen lernen. Die Fragen sind: Wie sehen die derart aktivierten Teilchen aus? Wie werden sie beschleunigt?"

Diese Rekonnexionszone wird im Rahmen der Magnetospheric Multiscale Mission (MMS) der Nasa unter die Lupe genommen. 2015 wurden vier baugleiche Satelliten ins All geschossen, die detaillierte Daten über Magnetfelder und Plasma sammeln sollen. Das IWF ist dabei der größte nichtamerikanische Partner der Nasa und an drei der Instrumente beteiligt.

Um das Magnetfeld zu vermessen, entwickelten die Grazer neuartige Elektronik für ein Digital Fluxgate Magnetometer. Es basiert auf einem Sensormaterial, das seine Eigenschaften in Abhängigkeit vom umgebenden Magnetfeld verändert. Ebenso wurde Elektronik und Elektronenemitter für das Electron Drift Instrument entwickelt, das Elektronenstrahlen aussendet, um das elektrische Feld um den Satelliten zu vermessen.

Um das Teilchen-Umfeld messen zu können, muss dafür gesorgt werden, dass die elektrische Ladung des Satelliten selbst dabei nicht stört. Deshalb wurde ASPOC (Active Spacecraft Potential Control) entwickelt, dessen Betrieb und Messungen von Nakamura geleitet wird. Das Instrument hat die Aufgabe, positiv geladene Indium-Atome freizusetzen, um die elektrische Ladung des Weltraumfahrzeugs neutral zu halten.

Durchlässige Magnetfelder

Mit den Cluster-Satelliten der Europäischen Weltraumbehörde Esa konnten die magnetischen Rekonnexionen bereits eindeutig nachgewiesen werden. Eine im Fachjournal Nature Physics veröffentlichte Forschungsarbeit postuliert auf Basis der Cluster-Daten die Existenz sogenannter magnetischer Flussröhren, in denen die Magnetfelder durchlässig werden. Die höhere Auflösung der MMS-Instrumente soll nun genauere Modelle der Interaktionen möglich machen. Nakamura widmet sich mit ihren Kollegen der Analyse der Daten zum Magnetfeld und dem elektrischen Feld. Eine erste Studie mit MMS-Daten aus dem Entstehungsgebiet der Rekonnexionen erschien bereits im Fachjournal Science.

Die Erkenntnisse sollen nicht nur zum Verständnis der Entstehung von Sonnenstürmen beitragen, die auf der Erde vielfältige Auswirkungen haben – von der Induktion von Strom in Pipelines, die zu deren Korrosion führt, bis zur Störung der Navigation von Tieren wie Tauben, die sich am Erdmagnetfeld orientieren. Die Erforschung des Erdmagnetfelds lässt auch Rückschlüsse auf Prozesse im Umfeld von anderen Planeten in- und außerhalb unseres Sonnensystems zu. "Das ist ein universeller Prozess, der an vielen Orten im Universum in ähnlicher Weise vorkommt", sagt Nakamura. "Mit unseren Satelliteninstrumenten können wir die Vorgänge nun erstmals dort messen, wo sie tatsächlich stattfinden." (Alois Pumhösel, 20.5.2016)

  • Sogenannte magnetische Flussröhren, die in der Zone des Aufeinandertreffens von Sonnenwind und Erdmagnetosphäre  nachgewiesen wurden, lassen das Magnetfeld durchlässig werden.
    foto: cas / r. wang

    Sogenannte magnetische Flussröhren, die in der Zone des Aufeinandertreffens von Sonnenwind und Erdmagnetosphäre nachgewiesen wurden, lassen das Magnetfeld durchlässig werden.

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