Tausende Kilometer über der Erde herrscht Weltraumwetter. Hier mischen Stürme hochenergetischer Partikel die Atmosphäre, erzeugen Polarlichter, fordern Satelliten heraus und verursachen sogar Störungen mit darunterliegenden Stromnetzen und elektronischen Geräten. Es ist ein scheinbar leerer und einsamer Ort – einer, an dem ein Mysterium namens „kaltes Plasma“ in Hülle und Fülle gefunden wurde und das durchaus Auswirkungen auf unsere Verbindung zur Sonne haben könnte. Obwohl es praktisch verborgen geblieben ist, haben schwedische Forscher eine neue Methode entwickelt, um diese kalten, geladenen Ionen zu messen. Mit Beweisen, die mehr als einmal angenommen haben, könnten uns diese neuen Erkenntnisse sehr wohl Hinweise darauf geben, was um andere Planeten und ihre natürlichen Satelliten passiert.
„Je mehr man nach niederenergetischen Ionen sucht, desto mehr findet man“, sagt Mats Andre, Professor für Weltraumphysik am Schwedischen Institut für Weltraumphysik in Uppsala, Schweden, und Leiter des Forschungsteams, dessen Ergebnisse angenommen wurden Veröffentlichung in Geophysical Research Letters, einer Zeitschrift der American Geophysical Union. „Wir wussten nicht, wie viel da draußen war. Das ist mehr als ich dachte.“
Woher stammt dieses Rätsel? Die niederenergetischen Ionen beginnen im oberen Teil unserer Atmosphäre, der Ionosphäre. Hier kann Sonnenenergie Elektronen von Molekülen abstreifen und Atome wie Sauerstoff und Wasserstoff mit einer positiven Ladung hinterlassen. Das physikalische Auffinden dieser Ionen war jedoch problematisch. Während die Forscher wussten, dass sie in Höhen von etwa 100 Kilometern (60 Meilen) existieren, legten Andre und sein Kollege Chris Cully ihre Standorte höher – zwischen 20.000 und 100.000 km (12.400 bis 60.000 Meilen). Am Rand schwankt die Menge der kalten Ionen zwischen 50 und 70 %, die den größten Teil der Raummasse ausmachen.
Dies ist jedoch nicht der einzige Ort, an dem kaltes Plasma gefunden wurde. Laut den Daten und Berechnungen von Forschungssatelliten beherbergen bestimmte Höhenzonen kontinuierlich niederenergetische Ionen. So weit hergeholt es klingen mag, das Team hat sie auch in 100.000 km Höhe entdeckt! Laut Andre ist die Entdeckung so vieler relativ kalter Ionen in diesen Regionen überraschend, weil so viel Energie vom Sonnenwind auf die großen Höhen der Erde trifft – ein heißes Plasma, das etwa 1.000 Mal heißer ist als das, was Andre für kalt hält. Wie kalt? „Die niederenergetischen Ionen haben eine Energie, die bei typischen Gasdichten auf der Erde etwa 500.000 Grad Celsius (etwa eine Million Grad Fahrenheit) entsprechen würde. Aber weil die Dichte der Ionen im Weltraum so gering ist, können Satelliten und Raumfahrzeuge umkreisen, ohne in Flammen aufzugehen.“
Ein Wissenschaftler untersucht einen der vier Cluster-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation, die in einer kürzlich durchgeführten Studie der Geophysical Research Letters zur Messung von niederenergetischen Ionen verwendet wurden. (Quelle: Europäische Weltraumorganisation)
Es war eine schwer fassbare Aufgabe, diese niederenergetischen Ionen zu lokalisieren und zu messen, wie viel Material unsere Atmosphäre verlässt. Andres Werkstatt ist ein Satellit und eine der vier CLUSTER-Raumsonden der Europäischen Weltraumorganisation. Es beherbergt einen Detektor, der aus einem feinen Draht besteht, der das elektronische Feld zwischen ihnen während der Satellitendrehung misst. Als die Daten gesammelt wurden, fanden die Forscher jedoch ein paar Rätsel – starke elektrische Felder in unerwarteten Bereichen des Weltraums und elektrische Felder, die nicht gleichmäßig schwankten.
„Für einen Wissenschaftler sah es ziemlich hässlich aus“, sagte Andre. „Wir haben versucht herauszufinden, was mit dem Instrument nicht stimmt. Dann haben wir gemerkt, dass an dem Instrument nichts auszusetzen ist.“ Was sie fanden, öffnete ihnen die Augen. Kaltes Plasma veränderte die Anordnung der den Satelliten umgebenden elektrischen Felder. Dadurch wurde ihnen klar, dass sie ihre Feldmessungen nutzen konnten, um das Vorhandensein von kaltem Plasma zu validieren. „Es ist eine clevere Möglichkeit, die Grenzen eines raumfahrzeugbasierten Detektors in Vorteile zu verwandeln“, sagte Thomas Moore, leitender Projektwissenschaftler für die Magnetospheric Multiscale-Mission der NASA im Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. Er war an der neuen Forschung nicht beteiligt.
Durch diese neuen Techniken kann die Wissenschaft die kalte Plasmahülle der Erde messen und kartieren – und mehr darüber erfahren, wie sich heißes und kaltes Plasma unter extremen Weltraumwetterbedingungen verändern. Diese Forschung weist auf ein besseres Verständnis auch anderer Atmosphären als unserer eigenen hin. Derzeit zeigen die neuen Messungen, dass jede Sekunde etwa ein Kilogramm (zwei Pfund) kaltes Plasma aus der Erdatmosphäre entweicht. Mit einer soliden Zahl als Grundlage für die Verlustrate können Wissenschaftler möglicherweise modellieren, was aus der Marsatmosphäre wurde – oder dies erklären Atmosphäre um andere Planeten und Monde. Es kann auch zu genaueren Weltraumwettervorhersagen beitragen – auch wenn es die Umgebung selbst nicht direkt beeinflusst. Es ist ein wichtiger Akteur, auch wenn es den Schaden selbst nicht verursacht. „Vielleicht möchten Sie wissen, wo das Tiefdruckgebiet liegt, um einen Sturm vorherzusagen“, bemerkte Andre.
Die Modernisierung der Weltraumwettervorhersage dahingehend, dass sie der gewöhnlichen Wettervorhersage ähnelt, sei „nicht einmal im Entferntesten möglich, wenn Sie den größten Teil Ihres Plasmas vermissen“, sagte Moore von der NASA. Mit einer Möglichkeit, kaltes Plasma zu messen, ist das Ziel qualitativ hochwertiger Vorhersagen nun einen Schritt näher gekommen. „Es ist Zeug, das wir nicht sehen und nicht erkennen konnten, und dann konnten wir es plötzlich messen“, sagte Moore über die niederenergetischen Ionen. 'Jetzt können Sie es tatsächlich studieren und sehen, ob es mit den Theorien übereinstimmt.'
Quelle der Originalgeschichte: Pressemitteilung der American Geophysical Union . Zum Weiterlesen: Niederenergetische Ionen: Eine zuvor verborgene Teilchenpopulation des Sonnensystems .
