Temporärer dritter Strahlungsgürtel um die Erde

  • 01. March 2013

Neben dem inneren und äußeren Van-Allen-Gürtel können offenbar weitere Torusstrukturen hochenergetische Teilchen beherbergen.

Die Entdeckung der Strahlungsgürtel um die Erde war eine der ersten großen Überraschungen des Weltraumzeitalters: 1958 konnte der amerikanische Forscher James van Allen mit Instrumenten auf den Raumsonden Pioneer 3 und Explorer IV zwei torusförmige Zonen um die Erde nachweisen, in denen hochenergetische Elektronen und Protonen zirkulieren. Sie beziehen ihre Energie aus der Wechselwirkung des Erdmagnetfelds mit dem Sonnenwind. Die Strahlung ist intensiv genug, um Satelliten beschädigen zu können.

Abb.: Das bisherige Bild von den Strahlungsgürteln der Erde sah so aus, dass ein innerer und ein äußerer Ring die Erde umgeben. (Bild: Baker et al.)

Abb.: Bisher gingen Forscher von einem inneren und einem äußeren Strahlungsgürtel um die Erde aus. (Bild: Baker et al.)

Auch Astronauten sind durch die Strahlung besonderen Gefahren ausgesetzt. Meist beträgt die dortige Äquivalentdosis – hinter drei Millimeter dickem Aluminium – etwa ein Millisievert pro Tag. In Zeiten starker Aktivität kann sie aber bis zu 200 Millisievert pro Stunde im inneren und bis zu 50 Millisievert pro Stunde im äußeren Gürtel erreichen, weshalb bei Raumflügen ein zügiges Durchqueren dieser Zonen angesagt ist. Da astronomische Messgeräte durch die Van-Allen-Gürtel gestört werden, müssen sie auf angemessen hohe Umlaufbahnen gebracht werden.

Dank der beiden neuen Zwillingsraumsonden „Radiation Storm Belt Probes“ konnten amerikanische Forscher nun erstmals einen dritten, kurzlebigen Gürtel belegen. Die Sonden wurden zu Ehren des Entdeckers der Strahlungszonen mittlerweile in „Van Allen Probes“ umbenannt und umkreisen die Erde in einem stark elliptischen Orbit, der mitten durch die beide Zonen führt.

Der neue Strahlungsgürtel bestand den Monat September 2012 über, bevor er sich durch die Einwirkung starker interplanetarer Magnetfelder wieder auflöste. Wie die Forscher schreiben, könnten solche kurzlebigen Strahlungsgürtel durchaus häufiger entstehen. Bislang ließen sie sich aber praktisch nicht nachweisen. Erst die letztes Jahr gestarteten Zwillingsraumsonden, die speziell für Messungen im Zentrum der Strahlungsgürtel ausgelegt sind, wären in der Lage, die entsprechenden Daten zu liefern.

Abb.: Für gewisse Zeit kann aber ein weiterer Speicherring entstehen, in den die hochenergetischen Elektronen aus dem äußeren Ring gepumpt werden. (Bild: Baker et al.)

Abb.: Für gewisse Zeit kann aber ein weiterer Speicherring entstehen, in den die hochenergetischen Elektronen aus dem äußeren Ring gepumpt werden. (Bild: Baker et al.)

Die Forscher erwarten von den Van Allen Probes deshalb wichtige neue Erkenntnisse. „Wir wissen nicht, wie oft solche Dinge geschehen“, sagt Erstautor Dan Baker zu den neuen Daten. „Sie könnten ziemlich häufig geschehen, aber wir hatten bisher nicht die Mittel, sie zu sehen.“

Die beiden bekannten Strahlungszonen sind nach ihrem Entdecker auch als Van-Allen-Gürtel benannt. Der innere Gürtel liegt etwa 3.000 bis 6.000 Kilometern über der Erdoberfläche und ist über Jahre bis Jahrzehnte hinaus sehr konstant. Er besteht aus Elektronen und Protonen mit Energien bis jenseits der zehn Megaelektronenvolt. Der äußere Gürtel ist wesentlich variabler und wird vor allem durch hochenergetische Elektronen verursacht. Je nach Weltraumwetter kann er sich zu einem großen Teil entladen und wieder neu bilden. Er liegt in rund 25.000 Kilometer Höhe.

Der neu entdeckte Strahlungsring lag zwischen den beiden bekannten. Überraschenderweise bildete er sich als eine Art Speicherring im unteren Bereich des äußeren Gürtels, während dieser seine oberen Schichten in einer Phase starker Fluktuationen verlor. In den ersten Tagen der Messung baute sich der Zwischenring auf und behielt für die kommenden Wochen seine Intensität.

Abb.: Die Strahlungsintensität über den Zeitraum von Anfang September bis Oktober 2012, aufgetragen für drei verschiedene Kanäle von Elektronenenergien. Die Farbe gibt logarithmisch die Intensität wieder, die y-Achse zeigt die Entfernung von der Erde an. (Bild: Baker et al.)

Abb.: Die Strahlungsintensität über den Zeitraum von Anfang September bis Oktober 2012, aufgetragen für drei verschiedene Kanäle von Elektronenenergien. Die Farbe gibt logarithmisch die Intensität wieder, die y-Achse zeigt die Entfernung von der Erde an. (Bild: Baker et al.)

Der Nachweis des dritten Strahlungsgürtels ist durchaus ein glücklicher Fund. Da der 1992 gestartete Vorgängersatellit SAMPEX (Solar, Anomalous, and Magnetospheric Particle Explorer) planmäßig im November 2012 in der Atmosphäre verglüht ist, hatten sich die Wissenschaftler der neuen Mission dafür eingesetzt, die Strahlungsinstrumente der Van Allen Probes prioritär zu starten, um zur Kalibration ihrer Messungen einen möglichst großen Überlapp beider Satellitendaten zu erzielen. Schon kurz nach dem Start der Zwillingsraumsonden am 30. August 2012 wurde deshalb das Relativistic Electron-Proton Telescop in Gang gesetzt. Bereits am 3. September konnten die Forscher die Herausbildung des dritten Gürtels beobachten. Dieser wurde durch eine Schockwelle im interplanetaren Magnetfeld hervorgerufen, die mit einem starken Anstieg des Sonnenwindes einherging.

Der neue Strahlungsgürtel bestand vor allem aus hochenergetischer Elektronen mit Energien von zwei bis über sieben Megaelektronenvolt. Während der ersten beiden Septemberwochen blieb er nahezu konstant. Ab der dritten Septemberwoche begann er schwächer zu werden. Mit dem erneuten Auftreffen einer interplanetaren Schockwelle und einem relativ starken geomagnetischen Sturm am 1. Oktober löste sich der Speicherring fast vollständig auf, während der äußere Gürtel praktisch seine gesamte Elektronenpopulation verlor. Im Anschluss an die Entleerung des Speicherrings hat sich wieder die bekannte Struktur aus zwei Strahlungsgürteln um die Erde gebildet.

Der genaue Mechanismus, der zu diesen unerwarteten Strukturen geführt hat, ist bislang noch unbekannt. Die neuen Erkenntnisse sind nicht zuletzt für Satellitenbetreiber interessant. Aber auch irdische Infrastruktur wie Stromnetze und Kommunikationseinrichtung können von geomagnetischen Stürmen gestört werden. Ein besseres Verständnis dieser Zusammenhänge, wie es die beiden neuen Zwillingsraumsonden liefern können, ermöglicht es, wichtige Systeme notfalls abzuschalten, um Kurzschlüssen und Strahlenschäden vorzubeugen.

Dirk Eidemüller

PH

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