Künstlerische Darstellung des über der Erde schwebenden ESA-Cluster-Raumfahrzeugs. Bildnachweis: ESA Zum Vergrößern anklicken
Die Cluster-Mission der ESA hat einen neuen Mechanismus zur Erzeugung von „Killerelektronen“ enthüllt - hochenergetische Elektronen, die für die Beschädigung von Satelliten und die ernsthafte Gefahr für Astronauten verantwortlich sind.
In den letzten fünf Jahren haben eine Reihe von Entdeckungen der Cluster-Mission für mehrere Raumfahrzeuge unser Wissen darüber, wie, wo und unter welchen Bedingungen diese Killerelektronen in der Erdmagnetosphäre erzeugt werden, erheblich erweitert.
Frühe Satellitenmessungen in den 1950er Jahren zeigten die Existenz von zwei permanenten Ringen energetischer Teilchen um die Erde.
Normalerweise als "Van Allen-Strahlungsgürtel" bezeichnet, sind sie mit Partikeln gefüllt, die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden. Beobachtungen zeigten, dass der innere Gürtel eine ziemlich stabile Population von Protonen enthält, während der äußere Gürtel hauptsächlich aus Elektronen in einer variableren Menge besteht.
Einige der Elektronen des äußeren Gürtels können auf sehr hohe Energien beschleunigt werden, und es sind diese „Killerelektronen“, die eine dicke Abschirmung durchdringen und empfindliche Satellitenelektronik beschädigen können. Diese intensive Strahlungsumgebung ist auch eine Bedrohung für Astronauten.
Seit langem versuchen Wissenschaftler zu erklären, warum die Anzahl der geladenen Teilchen in den Bändern so stark variiert. Unser großer Durchbruch gelang, als zwei seltene Weltraumstürme im Oktober und November 2003 fast hintereinander auftraten.
Während der Stürme wurde ein Teil des Van-Allen-Strahlungsgürtels von Elektronen befreit und dann in einer Region, die normalerweise für Satelliten als relativ sicher angesehen wird, viel näher an der Erde reformiert.
Als sich die Strahlungsgürtel reformierten, nahmen sie nach einer langjährigen Theorie der Teilchenbeschleunigung, die als „radiale Diffusion“ bezeichnet wird, nicht zu. Die Radialdiffusionstheorie behandelt die Erdmagnetfeldlinien als elastische Bänder.
Wenn die Bänder gezupft werden, wackeln sie. Wenn sie mit der gleichen Geschwindigkeit wackeln wie die Partikel, die um die Erde treiben, können die Partikel über das Magnetfeld getrieben und beschleunigt werden. Dieser Prozess wird durch Sonnenaktivität angetrieben.
Stattdessen verwendete ein Team europäischer und amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von Dr. Richard Horne vom British Antarctic Survey, Oxford, Großbritannien, Daten von Cluster- und Bodenempfängern in der Antarktis, um zu zeigen, dass sehr niederfrequente Wellen die Teilchenbeschleunigung verursachen und die Gürtel verstärken können.
Diese Wellen, die als „Chorus“ bezeichnet werden, sind natürliche elektromagnetische Emissionen im Audiofrequenzbereich. Sie bestehen aus diskreten Elementen von kurzer Dauer (weniger als eine Sekunde), die wie der Chor von Vögeln klingen, die bei Sonnenaufgang singen. Diese Wellen gehören zu den intensivsten in der äußeren Magnetosphäre.
Die Anzahl der „Killerelektronen“ kann sich auf dem Höhepunkt eines Magnetsturms und in den folgenden Tagen um den Faktor tausend erhöhen. Intensive Sonnenaktivität kann den äußeren Gürtel auch viel näher an die Erde bringen, wodurch Satelliten in geringerer Höhe einer viel härteren Umgebung ausgesetzt werden, als sie vorgesehen waren.
Die Radialdiffusionstheorie ist unter bestimmten geophysikalischen Bedingungen immer noch gültig. Vor dieser Entdeckung waren einige Wissenschaftler der Ansicht, dass die Chorusemissionen nicht effizient genug waren, um die Reformation des äußeren Strahlungsgürtels zu erklären. Was Cluster gezeigt hat, ist, dass unter bestimmten stark gestörten geophysikalischen Bedingungen die Chorusemissionen ausreichend sind.
Dank der einzigartigen Mehrpunktmessfähigkeit von Cluster wurden die charakteristischen Dimensionen dieser Chorusquellenregionen zum ersten Mal geschätzt.
Es wurde festgestellt, dass typische Abmessungen einige hundert Kilometer in der Richtung senkrecht zum Erdmagnetfeld und einige tausend Kilometer in der Richtung parallel dazu sind.
Die bisher gefundenen Dimensionen basieren jedoch auf Fallstudien. „Unter gestörten magnetosphärischen Bedingungen bilden die Chorquellenregionen lange und schmale spaghettiartige Objekte. Die Frage ist nun, ob diese sehr niedrigen senkrechten Skalen eine allgemeine Eigenschaft des Chormechanismus sind oder nur ein Sonderfall der analysierten Beobachtungen “, sagte Ondrej Santolik von der Karlsuniversität in Prag, Tschechische Republik, und Hauptautor dieses Ergebnisses.
Aufgrund unserer zunehmenden Abhängigkeit von weltraumgestützten Technologien und Kommunikation ist das Verständnis, wie, unter welchen Bedingungen und wo diese Killerelektronen erzeugt werden, insbesondere während magnetischer Sturmperioden, von großer Bedeutung.
Ursprüngliche Quelle: ESA-Portal
