Messungen beim Sonnensturm schlichten bisherigen Streit der Theorien Strahlengürtel: Rätsel der verschwindenden Elektronen gelöst - scinexx | Das Wissensmagazin
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Messungen beim Sonnensturm schlichten bisherigen Streit der Theorien

Strahlengürtel: Rätsel der verschwindenden Elektronen gelöst

Magnetosphäre der Erde (blau) mit den Van-Allen-Gürteln. Die Farben markieren Zonen mit energieriechen Teilchen. © Martin Rother/ GFZ

Rätselhafter Elektronenschwund: Forscher haben ein jahrzehntealtes Rätsel des Van-Allen-Gürtels gelöst. Denn sie haben endlich herausgefunden, wohin die schnellen Elektronen dieser Strahlengürtel bei einem Sonnensturm verschwinden. Das überraschende Ergebnis: Beide bisher konkurrierenden Theorien haben Recht – eine gilt für langsame, die andere für ultraschnelle Elektronen, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.

Sie sind unser lebensrettender Schutzschild: Das Magnetfeld der Erde und die Van-Allen-Gürtel schirmen uns vor einem Großteil der energiereichen Strahlung und Teilchen aus dem All ab. Selbst bei einem Sonnensturm sorgen sie dafür, dass ein Großteil davon abgefangen wird. Dafür allerdings rasen dann in den Van-Allen-Gürteln der Erde extrem schnelle Elektronen wie in einem gewaltigen Ring um die Erde.

Rätsel der „Drop-Outs“

Ein Phänomen jedoch gibt Forschern schon seit Jahrzehnten Rätsel auf: die sogenannten „Drop-Outs“. Trifft ein starker Sonnensturm die Erde, kann es vorübergehend zu einem dramatischen Schwund der ultraschnellen Elektronen im Van-Allen-Gürtel kommen. Ihre Dichte sinkt dabei innerhalb von einer Stunde um das Tausendfache.

Aber warum? Bisher gab es dazu zwei sich widersprechende Theorien. Nach einer davon sorgen gewaltige elektromagnetische Wellen im Strahlengürtel dafür, dass die Elektronen nach unten in die Erdatmosphäre hin abgelenkt werden. Die konkurrierende Theorie geht davon aus, dass die Elektronen nicht nach unten, sondern nach oben abgelenkt werden und ins Weltall verschwinden.

Bei einem Sonnensturm werden Plasma und energiereiche Strahlung weit ins All hinaus geschleudert © NASA/Solar Dynamics Observatory

Beide haben Recht

Ein Sonnensturm am 17. Januar 2013 hat nun Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ in Potsdam und seinen Kollegen geholfen, diesen Widerspruch aufzulösen. „Der Sturm bot ideale Bedingungen“, erläutert Shprits. Denn die Van Allen-Raumsonde der NASA waren dabei am richtigen Ort, um das Verhalten der Elektronen im Van-Allen-Gürtel genau zu beobachten.

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Die Auswertung der Daten ergab Überraschendes: Beide Theorien haben Recht. Denn entscheidend für das Verschwinden der Elektronen ist, wie schnell die einzelnen Partikel sind. Ultrarelativistische Elektronen, die mit bis zu 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit fliegen, werden demnach tatsächlich von den Wellen in die Atmosphäre umgeleitet. Doch bei den etwas langsameren relativistischen Elektronen greift der zweite Mechanismus: Sie werden in den interplanetaren Raum abgelenkt.

Damit sei nun eine alte Forschungsfrage gelöst, sagt Shprits. Gleichzeitig bietet das Wissen um diese Prozesse nun bessere Möglichkeiten, Prozesse in unserem Strahlungsgürtel, aber auch um andere Planeten herum zu verstehen. „Unsere Ergebnisse werden auch helfen, das ‚Weltraumwetter‘ besser vorherzusagen und damit wertvolle Satelliten zu schützen“, sagt der Forscher. (Nature Communications, 2016; doi: 10.1038/ncomms12883)

(Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, 04.10.2016 – NPO)

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