Die Van-Allen-Gürtel pulsieren aus Sonnenpartikeln. Bildnachweis: NASA / Tom Bridgman. klicken um zu vergrößern
Laut neuen Untersuchungen eines von der NASA geführten Teams bewegt sich eine „sichere Zone“ in den Strahlungsgürteln, die die Erde umgeben, während Spitzen der Sonnenaktivität in Höhe und Breite höher. Die sichere Zone bietet potenziellen Raumfahrzeugen, die im Bereich des Strahlungsgürtels fliegen müssen, reduzierte Strahlungsintensitäten.
"Diese neue Forschung bringt uns dem Verständnis näher, wie ein Abschnitt des Strahlungsgürtels verschwindet", sagte Dr. Shing Fung vom Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Md. Fung, ist Hauptautor eines Papiers zu dieser Forschung, das im On- Linienversion der Geophysical Research Letters 22. Februar.
Das Team stützte seine Ergebnisse auf Messungen von Hochgeschwindigkeitsteilchen (Elektronen), aus denen der „Van Allen-Strahlungsgürtel“ besteht, aus der Reihe der polar umlaufenden meteorologischen Raumfahrzeuge der National Oceanic and Atmospheric Administration von 1978 bis 1999. Als das Raumschiff einflog In ihren polaren Umlaufbahnen entdeckten sie in einem bestimmten Breitengradbereich weniger Strahlungsgürtelpartikel, was auf sichere Zonenpassagen des Raumfahrzeugs hinweist. Die Forscher verglichen die Daten, die während relativ niedriger Sonnenaktivitätsperioden, die als Sonnenminimum bezeichnet werden, aufgenommen wurden, mit Daten aus Spitzenzeiten der Sonnenaktivität, die als Sonnenmaximum bezeichnet wurden. Sie bemerkten eine Verschiebung des Standorts der sicheren Zone in Richtung höherer Breiten und damit Höhen während des Sonnenmaximums.
Wenn die Strahlungsgürtel sichtbar wären, würden sie einem Paar Donuts um die Erde ähneln, eines ineinander, wobei sich die Erde im „Loch“ des innersten Donuts befindet. Die sichere Zone, die als "Schlitzbereich" bezeichnet wird, erscheint als Lücke zwischen dem inneren und dem äußeren Donut. Die Gürtel bestehen tatsächlich aus elektrisch geladenen Hochgeschwindigkeitsteilchen (Elektronen und Atomkerne), die im Erdmagnetfeld eingeschlossen sind.
Das Erdmagnetfeld kann durch Magnetkraftlinien dargestellt werden, die aus der Südpolregion in den Weltraum und zurück in die Nordpolregion austreten. Da Strahlungsgürtelpartikel geladen sind, werden ihre Bewegungen von den magnetischen Kraftlinien geleitet. Eingeschlossene Partikel würden zwischen den Polen abprallen, während sie sich um die Feldlinien drehen.
In dieser Region werden auch sehr niederfrequente (VLF) Radiowellen und Hintergrundgas (Plasma) eingeschlossen. Genau wie ein Prisma, das einen Lichtstrahl biegen kann, kann das Plasma die Ausbreitungswege der VLF-Wellen biegen, wodurch die Wellen entlang des Erdmagnetfelds fließen. VLF-Wellen löschen die sichere Zone, indem sie mit den Strahlungsgürtelpartikeln interagieren, ein wenig von ihrer Energie entfernen und ihre Richtung ändern. Dies senkt die Stelle über den Polarregionen, an denen die Partikel abprallen (als Spiegelpunkt bezeichnet). Schließlich wird der Spiegelpunkt so niedrig, dass er sich in der Erdatmosphäre befindet. In diesem Fall kollidieren die eingeschlossenen Partikel mit atmosphärischen Partikeln und gehen verloren.
Laut dem Team wird die Sicherheitszone in einer Region geschaffen, in der die Bedingungen für die VLF-Wellen günstig sind, um die Partikel zu treten. Ihre Forschung ist der erste Hinweis darauf, dass sich der Standort dieser Region mit dem Sonnenaktivitätszyklus ändern kann. Die Sonne durchläuft einen 11-jährigen Aktivitätszyklus von maximal bis minimal und wieder zurück. Während des Sonnenmaximums erwärmt eine erhöhte ultraviolette (UV) Sonnenstrahlung die obere Erdatmosphäre, die Ionosphäre, und bewirkt, dass sie sich ausdehnt. Dies erhöht die Dichte des im Erdmagnetfeld eingeschlossenen Plasmas.
Günstige Bedingungen für die VLF-Welle-Partikel-Wechselwirkung hängen von der spezifischen Kombination von Plasmadichte und Magnetfeldstärke ab. Obwohl die Plasmadichte im Allgemeinen mit der Höhe abnimmt, wird das Plasma durch die Ausdehnung der Ionosphäre während des Sonnenmaximums in der Sonnenminimumhöhe der sicheren Zone dichter und die günstige Plasmadichte für die sichere Zone wird gezwungen, in eine höhere Höhe zu wandern. Zusätzlich nimmt die Magnetfeldstärke mit der Höhe ab. Um die günstige Magnetfeldstärke für die Sicherheitszone in höheren Lagen zu finden, müsste man zu den Polen (höheren Breiten) wandern, wo die Magnetfeldlinien konzentrierter und damit stärker sind.
"Diese Entdeckung hilft dabei, die Suche nach dem primären Wellen-Teilchen-Wechselwirkungsbereich einzugrenzen, der die sichere Zone schafft", sagte Fung. "Obwohl kein bekanntes Raumschiff die Sicherheitszone derzeit in großem Umfang nutzt, könnte unser Wissen bei der Planung und dem Betrieb zukünftiger Missionen helfen, die die Zone nutzen möchten."
Den Forschern zufolge wurde ihre Entdeckung durch ein neues Tool zur Datenauswahl und -abfrage ermöglicht, das vom Team entwickelt wurde und als Magnetospheric State Query System bezeichnet wird. Die Forschung wurde von der NASA und dem National Research Council finanziert. Das Team besteht aus Fung, Dr. Xi Shao (Nationaler Forschungsrat, Washington) und Dr. Lun C. Tan (QSS Group, Inc., Lanham, Md.).
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
