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Montag, 26.09.2016
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Strahlengürtel: Rätsel der Zebrastreifen gelöst

Schwingungen im elektrischen Feld der Erde ordnen rasende Elektronen zu Streifen

Der Strahlengürtel rund um die Erde zeigt ein seltsames Streifenmuster. Was diese verursacht, war bisher rätselhaft. Jetzt haben US-Forscher dieses Rätsel gelöst: Verantwortlich sind demnach Schwingungen im elektrischen Feld unseres Planeten – ein Effekt, der eigentlich als viel zu schwach und unerheblich galt. Diese Erkenntnis verändert die gesamte Sicht auf die Vorgänge im Strahlengürtel der Erde und auch anderer Planeten, wie die Forscher im Fachmagazin "Nature" berichten.
Der Strahlengürtel umgibt die Erde wie ein dicker Ring aus unterschiedlich energiereichen Teilchen.

Der Strahlengürtel umgibt die Erde wie ein dicker Ring aus unterschiedlich energiereichen Teilchen.

Die Erde ist von einem dicken Ring aus schnellen, energiereichen Teilchen und Strahlen umgeben. Dieser Strahlengürtel entsteht, weil das Erdmagnetfeld Partikel des Sonnenwinds einfängt und in Bahnen um die Erde zwingt. In seiner inneren Schicht enthält der Gürtel vor allem positiv geladene Teilchen und langsamere Elektronen, weiter außen hingegen besonders energiereiche, fast mit Lichtgeschwindigkeit um die Erde rasende Elektronen.

Treffen Strahlung und Partikel auf ungeschützte Satelliten oder andere Raumfahrzeuge, können sie der sensiblen Elektronik schwerwiegende Schäden zufügen. Unter anderem deshalb wird der Strahlengürtel intensiv erforscht. Allerdings mit begrenztem Erfolg, denn noch immer sind viele Phänomene und Merkmale dieser Zone unerklärt.

Zebrastreifen im Innenring


Eines dieser rätselhaften Phänomene: Der innere Gürtel scheint sich zu bestimmten Zeiten ein ausgeprägtes Streifenmuster zuzulegen. "Die energieärmeren Elektronen im gesamten inneren Strahlengürtel sind in regelmäßigen Mustern angeordnet – wir bezeichnen sie als Zebrastreifen", erklären Aleksandr Ukhorskiy vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University in Laurel und seine Kollegen. Was diese Zebrastreifen auslöst, war bisher jedoch unklar.


Forscher vermuteten, dass sie durch Turbulenzen während besonders starker Sonnenstürme hervorgerufen werden. Doch Daten der Zwillingssonden Van Allen Probes der NASA widerlegen dies: "Die Muster wurden bei allen Orbits gefunden", so die Forscher. "Sie erschienen bei schwachem Sonnenwind sogar noch regelmäßiger als während geomagnetischer Stürme." Es muss daher ihrer Ansicht nach eine andere Erklärung für das seltsame Phänomen geben.

Raumsonden ermittelten diese Streifenmuster der Elektronen im inneren Strahlengürtel. Besonders ausgeprägt sind sie in Zeiten schwachen Sonnenwinds.

Raumsonden ermittelten diese Streifenmuster der Elektronen im inneren Strahlengürtel. Besonders ausgeprägt sind sie in Zeiten schwachen Sonnenwinds.

Schwingungen im Feld


Einen möglichen Schuldigen hatten die Forscher auch bereits in Verdacht: die Erdrotation. Weil die Rotationsachse gegenüber der Magnetachse um rund elf Grad verschoben ist, gerät das die Erde umgebende elektrische Feld in regelmäßige Schwingungen. Dies galt bisher als viel zu schwach, um die Elektronen im Strahlengürtel zu beeinflussen. Doch Ukhorskiy und seine Kollegen vermuteten dennoch einen Zusammenhang.

Um mehr herauszufinden, nutzten sie ein Computermodell, mit dem sie einen Strahlengürtel im Minimaßstab konstruierten. Darin ließen sie Elektronen in einem Dipolmagnetfeld ähnlich dem der Erde umherdriften und veränderten dann allmählich die Energie und Flughöhe der Testpartikel. Das Ergebnis war erstaunlich: Die anfangs gleichmäßig verteilten Elektronen begannen nach einiger Zeit tatsächlich, sich zu einem Streifenmuster anzuordnen. Wie die Forscher feststellten, spielte dafür ein Resonanzeffekt zwischen der Drift der Elektronen und dem in Tagesverlauf schwingenden elektrischen Feld der Erde eine Rolle.

Neue Sicht auf den Vorhof der Erde


"Dieser Effekt führte zu einer kontinuierlichen Zunahme der Streifendichte", berichten Ukhorskiy und seine Kollegen. Aber im Falle des irdischen Strahlengürtels sorgen Turbulenzen durch Sonnenstürme ab und zu dafür, dass der Prozess unterbrochen wird. Auch das konnten die Forscher im Modell demonstrieren. Dadurch wird die Streifenproduktion immer wieder zurückgesetzt und die Streifen können nie so dicht werden, dass sie miteinander zu verschmelzen scheinen.

Diese Ergebnisse werfen ein ganz neues Licht auf die Vorgänge im Strahlengürtel der Erde. "Weltraumphysiker werden nun ihre Konzepte zur Dynamik und Komplexität solcher Strahlengürtel revidieren müssen", kommentiert Drew Turner von der University of California in Los Angeles in der gleichen Ausgabe des Fachmagazins. Spannend könnte es werden, wenn Raumsonden weitere Daten zu den Strahlengürteln von Jupiter, Neptun und Uranus liefern. Denn bei diesen Planeten weichen Rotationsachse und Magnetfeld noch sehr viel stärker voneinander ab als im Fall der Erde. Der jetzt neu entdeckte Zebrastreifen-Effekt könnte daher bei ihnen entsprechend stärker ausgeprägt sein. (Nature, 2014; doi: 10.1038/nature13046)
(Applied Physics Laboratory, Johns Hopkins University, Laurel, 20.03.2014 - NPO)
 
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