Bildnachweis: NASA
Neue Forschungen deuten darauf hin, dass Elektronen auf magnetischen Wellen surfen können, die vom Sonnenwind angetrieben werden, und so beschleunigt werden, dass sie an Raumfahrzeugen, die die Erde umkreisen, ernsthaften Schaden anrichten können. Der Prozess ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen dem Erdmagnetfeld und Schwankungen in der Dichte des Sonnenwinds. Wenn sich die Dichte des Sonnenwinds ändert, bewirkt dies, dass Wellen im Magnetfeld zur Erde zurückschwingen. Elektronen können in diesen Wellen gefangen werden und so schnell zur Erde zurücksurfen, dass sie empfindliche Elektronik im Weltraum beschädigen können.
'Killer'-Elektronen, die in der Lage sind, Raumschiffe im Orbit zu verwüsten, können laut einem Team von Weltraumwissenschaftlern auf magnetischen Wellen 'surfen', die vom Sonnenwind angetrieben werden.
Das Team der Boston University und der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) kombinierte Beobachtungen der NASA und der NOAA-Raumsonde, um ein Phänomen zu identifizieren, das erklärt, wie der Sonnenwind Wellen im Erdmagnetfeld (Magnetosphäre) erzeugt. Gewöhnliche Elektronen, die die Erde in den Van-Allen-Strahlungsgürteln umkreisen, können die Wellen auf fast Lichtgeschwindigkeit beschleunigen, mit Energien, die 300-500 mal größer sind als die Elektronen in einem Fernsehbildschirm.
Der Sonnenwind ist ein Strom elektrisch geladener Teilchen, der ständig von der Sonne geblasen wird. Die Magnetosphäre ist ein Hohlraum, der entsteht, wenn der Sonnenwind auf das Erdmagnetfeld trifft. Wenn die Sonnenwinddichte hoch ist und auf die Magnetosphäre trifft, wird die Magnetosphäre komprimiert. Bei geringer Winddichte dehnt sich die Magnetosphäre aus. Die Forscher entdeckten, dass der Sonnenwind periodische Strukturen hoher und niedriger Dichte enthält, die eine periodische „Atmung“ der Magnetosphäre und die globale Erzeugung magnetischer Wellen antreiben.
Es ist bekannt, dass, wenn die Frequenz dieser Wellen der Frequenz der Elektronen bei ihrer Bewegung im Van-Allen-Gürtel entspricht, die Elektronen beschleunigt werden können, was ihre Energie deutlich erhöht. Der Vorgang ist ähnlich wie bei einem Boogyboarder, der eine Welle fängt. Manche Elektronen „reiten auf der Welle“ und gewinnen so viel Energie, dass sie teure Raumschiffe beschädigen können.
„Wenn wir dies als einen bedeutenden Mechanismus für die Erzeugung der Wellen bestätigen können, die ‚Killer‘-Elektronen beschleunigen, dann könnten Wissenschaftler, die Daten von Satelliten wie Wind verwenden, eine Vorwarnung für Raumfahrzeugbetreiber entwickeln, dass ihre Raumfahrzeuge einer übermäßigen und schädlichen Strahlenbelastung ausgesetzt sein könnten. ” sagte Dr. Barbara Giles, Projektwissenschaftlerin für die Polar-Raumsonde am Goddard Space Flight Center der NASA, Greenbelt, Maryland.
Wenn Elektronen so energiereich werden, können sie in das Innere von Raumfahrzeugen eindringen. Sobald sie sich in elektronischen Teilen befinden, bauen sie statische Elektrizität auf, die ein kritisches Teil kurzschließen oder das Raumfahrzeug in einen schlechten Betriebsmodus versetzen kann.
„Das Neue und Aufregende an dieser Forschung ist, dass die Menschen schon immer nach Mechanismen innerhalb der Magnetosphäre gesucht haben, um diese Wellen zu erzeugen“, sagte Dr. Larry Kepko, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Boston University und Hauptautor von zwei Artikeln zu dieser Forschung, von denen einer in veröffentlicht wurde im Journal of Geophysical Research im Juni 2003 und das andere in Geophysical Research Letters im Jahr 2002. „Aber hier haben wir einen externen Mechanismus gefunden – den Sonnenwind selbst.“
Die Polar- und Windsatelliten der NASA sowie der Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) der NOAA lieferten die wichtigsten Beobachtungen, die das Team zu dieser Schlussfolgerung führten. Polar bestätigte, dass die Wellen nicht lokal, sondern global sind. Der Satellit Wind war die wichtigste Quelle zur Identifizierung der Dichtestrukturen im Sonnenwind, die die Magnetosphäre antreiben. GOES lieferte Daten über die Magnetosphäre der Erde, während sie an Größe zunahm und abnahm.
„Wir wussten bereits, dass der Sonnenwind Dichtestrukturen hat und dass magnetische Wellen Elektronen beschleunigen können“, sagte Dr. Harlan Spence, außerordentlicher Professor für Astronomie an der Boston University und Co-Autor der beiden Artikel zu dieser Forschung. „Was wir nicht wussten, war, dass die Sonnenwindstrukturen periodisch sein können und magnetische Wellen antreiben. Diese neuen Beobachtungen könnten eine fehlende Verbindung zwischen den beiden darstellen.“
Die ultimative Quelle dieser neu entdeckten Sonnenwindstrukturen ist immer noch ein Rätsel, aber das Team spekuliert, dass die Sonne eine direkte Rolle spielen könnte. „Die Variationen der Sonnenwinddichte werden teilweise durch das Muster der magnetischen Wiederverbindung, das Verdrehen und Einschnappen der magnetischen Feldlinien auf der Sonnenoberfläche, gesteuert“, sagt Dr. Kepko. „Eine systematische, periodische Wiederverbindung kann die beobachteten periodischen Dichtestrukturen im Sonnenwind erzeugen. Es gibt einige Hinweise darauf, dass dies der Fall sein könnte, aber es sind weitere Untersuchungen erforderlich, um einen endgültigen Zusammenhang herzustellen.“
Die Van-Allen-Strahlungsgürtel wurden 1958 von Dr. James Van Allen und seinem Team an der University of Iowa mit den Explorern 1 und 3 entdeckt, den ersten erfolgreich von den USA gestarteten Satelliten. Sie sind Gürtel aus elektrisch geladenen Teilchen, die vom Erdmagnetfeld eingefangen werden. Da die Teilchen elektrisch geladen sind (hauptsächlich Protonen und Elektronen), spüren sie magnetische Kräfte und sind gezwungen, sich um unsichtbare magnetische Kraftlinien zu drehen, die das Erdmagnetfeld bilden. Tatsächlich gibt es im Van-Allen-System zwei Donut-förmige Gürtel, einen ineinander mit der Erde im „Loch“ des inneren Gürtels. Der innere Gürtel, der aus Hochgeschwindigkeitsprotonen besteht, befindet sich in Höhen zwischen 430 und 7.500 Meilen (etwa 700 bis 12.000 km) über der Erde. Der äußere Gürtel besteht aus Hochgeschwindigkeitselektronen und erscheint in Höhen zwischen 15.500 und 25.000 Meilen (etwa 25.000 bis 40.000 km) über der Erde. Raumfahrzeugbetreiber versuchen, Umlaufbahnen in diesen Regionen zu vermeiden, aber manchmal sind diese Höhen für eine bestimmte Mission am besten, oder das Raumfahrzeug muss während eines Teils seiner Umlaufbahn die Gürtel durchqueren oder der Erde vollständig entkommen.
Die Polar- und Windsatelliten der NASA, die zusammen als 'Global Geospace Science Program' bekannt sind, sollen Wissenschaftlern helfen, zu verstehen, wie Teilchen und Energie von der Sonne durch die Weltraumumgebung der Erde fließen und mit ihr interagieren.
NOAA widmet sich der Sammlung von Daten über die Ozeane, die Atmosphäre, den Weltraum und die Sonne. Sein GOES-Satellitensystem ist das grundlegende Element für die US-Wetterüberwachung und -vorhersage. Dr. Howard Singer von der NOAA ist ein dritter Co-Autor des 2002 erschienenen Papiers über diese Forschung.
Originalquelle: NASA-Pressemitteilung
