Magnetischer Sturm half bei Klärung, wohin kosmische Partikel verschwinden

1. Oktober 2016, 12:21
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Nach oben oder nach unten? Aktuelle Studie zeigt, dass beide Hypothesen zutreffen – entscheidend ist die Geschwindigkeit der Teilchen

Potsdam – Ein geomagnetischer Sturm, der sich am 17. Jänner 2013 ereignete, hat sich als Glücksfall für die Wissenschaft erwiesen, berichtet das Helmholtz-Zentrum Potsdam (GFZ). Er half dabei, eine Frage zu klären, an der Forscher seit Jahrzehnten rätseln: Nämlich wohin beziehungsweise auf welche Weise hochenergetische Partikel, die auf die Magnetosphäre der Erde treffen, wieder verschwinden.

Als plausibelste Erklärung dafür galt lange Zeit ein Prozess, bei dem elektromagnetische Wellen die Teilchen in die Erdatmosphäre ablenkten. Vor zehn Jahren wurde allerdings eine weitere Theorie vorgeschlagen, derzufolge die Partikel in den interplanetaren Raum verschwinden würden. Jetzt hat ein Team um Yuri Shprits vom GFZ zusammen mit internationalen Kollegen herausgefunden, dass beide Erklärungen gelten: Die Geschwindigkeit der Partikel macht den Unterschied.

Hintergrund

Der US-amerikanische Physiker James Van Allen wies vor beinahe sechzig Jahren radioaktive Strahlung im Weltall nach. Er nutzte dazu Messungen eines Geigerzählers, der auf dem ersten US-amerikanischen Satelliten Explorer 1 angebracht war. Heute wissen wir, dass die Erde von zwei Ringen umgeben ist, die hoch energetische Teilchen aus dem Weltall "einfangen", dem Forscher zu Ehren erhielten sie die Bezeichnung Van-Allen-Gürtel. Die Strahlung darin stellt eine extrem harsche Umgebung dar für Satelliten und Raumfahrer dar. Die Satelliten, auf denen unsere Navigationssysteme beruhen, etwa GPS Satelliten, befinden sich mitten im Van-Allen-Gürtel.

Die gefährlichsten Partikel für die Raumfahrt sind sogenannte relativistische und ultra-relativistische Elektronen: Die einen fliegen mit mehr als 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, die anderen sogar mit mehr als 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Treffen sie auf elektronische Bauteile, können sie diese empfindlich beeinträchtigen oder sogar zerstören. Gegen relativistische Teilchen lassen sich Satelliten abschirmen, aber gegen die ultra-relativistischen Teilchen gibt es so gut wie keinen Schutz.

Nach oben oder nach unten?

Im Gegensatz zu den vergleichsweise trägen Veränderungen der Ozeane und der Atmosphäre auf der Erde kann sich der Strahlungsfluss in der Magnetosphäre innerhalb einer Stunde um den Faktor 1000 verändern. Am dramatischsten sind die "drop-outs", die während geomagnetischer Stürme oder Sonneneruptionen vorkommen. Schon seit Ende der 1960-er Jahre versucht die Forschung zu ergründen, wohin Elektronen aus dem Van-Allen-Gürtel verschwinden. Das Verständnis dieses Prozesses ist zentral, um die radioaktive Umgebung zu charakterisieren und Veränderungen prognostizieren zu können.

Eine der Theorien, die "drop-outs" erklären, beruhte auf bestimmten elektromagnetischen Wellen (EMIC für Electromagnetic Ion Cyclotron Waves). Diese werden durch eindringende Ionen aus dem Magnetosphäreschweif verursacht, die schwerer und energiereicher als Elektronen sind. EMIC-Wellen können Elektronen in die Erdatmosphäre hinein ablenken und so aus dem Van-Allen-Gürtel entfernen.

Vor zehn Jahren schlug Shprits allerdings einen anderen Mechanismus vor, wonach Elektronen nicht nach unten, sondern nach oben abgelenkt werden, also nicht in der Atmosphäre landen, sondern ins Weltall verschwinden. Messungen und Modellierungen schienen diesen Weg zu bestätigen, aber es blieb unklar, was genau bei geomagnetischen Stürmen passiert.

Die Antwort

Die Auswertung des Sturms von 2013 brachte nun die Antwort: "Der Sturm bot ideale Bedingungen", so Shprits, "weil erstens noch Teilchen aus einem vorhergehenden Sturm nachweisbar waren, zweitens die ultra-relativistischen und die relativistischen Teilchenströme an unterschiedlichen Stellen auftraten und drittens die ultra-relativistischen Teilchen tief in der Magnetosphäre gefangen waren."

Umfangreiche Messungen einer Satellitenmission, die 2012 von der NASA zur Untersuchung der Strahlungsgürtel gestartet wurde, zeigten, dass EMIC-Wellen tatsächlich Teilchen in die Atmosphäre streuten. Allerdings betrifft das ausschließlich die superschnellen ultra-relativistischen Teilchen und nicht wie früher gedacht auch die relativistischen. Bei den hohen Energien ist die Streuung durch Wellen besonders effektiv. Der andere von Yuri Shprits vorgeschlagene Mechanismus hat dagegen die etwas langsameren Teilchen, die relativistischen Elektronen, in den interplanetaren Raum abgelenkt.

Damit sei laut Shprits nicht nur eine alte Forschungsfrage gelöst, es böten sich nun auch bessere Möglichkeiten, Prozesse in unserem Strahlungsgürtel, aber auch um andere Planeten herum bis hin zu Sternen und fernen Galaxien zu verstehen. "Unsere Ergebnisse werden auch helfen, das 'Weltraumwetter‘ besser vorherzusagen und damit wertvolle Satelliten zu schützen." (red, 1.10. 2016)

  • So in etwa hat man sich den ausladenden Magnetschild der Erde vorzustellen.
    illustration: martin rother/gfz

    So in etwa hat man sich den ausladenden Magnetschild der Erde vorzustellen.

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