Donnerstag, 26. September 2013

Unerwartete physikalische Gesetze treiben dritten Strahlenring der Erde an

 
Modelldarstellung des Van-Allen-Gürtels im September 2012, als sich zwischen dem inneren und äußeren Strahlungsgürtel eine schmaler dritter Ring bildete und einen Monat lang bestand. | Copyright: Yuri Shprits, Adam Kellerman, Dmitri Subbotin/UCLA

Los Angeles (USA) - Seit der Entdeckung der Van-Allen-Strahlungsgürtel im Jahre 1958 gingen Weltraumwissenschaftler davon aus, dass die Erde von 'zwei' torusförmigen Gürteln aus hochgeladenen Partikel umgeben ist: einem inneren Ring hochenergetischer Elektronen und positiver Ionen und einem äußeren Ring ebenfalls aus hochenergetischen Elektronen. Im Februar diesen Jahres entdeckten Forscher dann jedoch mit Hilfe der "Van Allen Probes"-Zwillingssonden der NASA einen bis dahin gänzlich unbekannten dritten, jedoch nur einen Monat im September 2012 existierenden, schmalen Strahlungsgürtel, zwischen den beiden bekannten Gürteln (...wir berichteten). Jetzt haben US-Forscher das ungewöhnliche Verhalten dieses dritten Rings erfolgreich modelliert und konnten zeigen, dass dessen Partikel von gänzlich unterschiedlichen physikalischen Gesetzen angetrieben werden, als jene der beiden ständigen Van-Allen-Strahlungsgürtel.

Wie die Wissenschaftler um Yuri Shprits von der University of California - Los Angeles (UCLA) und vom Institute of Science and Technology im russischen Skolkovo aktuell im Fachjournal "Nature Physics" (DOI: 10.1038/nphys2760) berichten, zeigt sich, dass der dritte Gürtel aus extrem energetisch geladenen Partikeln, sogenannten ultrarelativistischen Elektronen besteht.


Diese Elektronen bewegen sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit, während die Energie ihrer Bewegung um ein Vielfaches größer ist als die Energie, die im Ruhezustand in ihrer Masse enthalten ist. Entsprechende Teilchen finden sich - wenn auch in deutlich geringer Anzahl - auch in den Regionen der beiden anderen Strahlungsringe, die die Erde zwischen von 1.000 bis 50.000 Kilometern umgeben. Hier sind jedoch die meisten Elektronen deutlich langsamer und energierärmer.


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"Früher gingen Wissenschaftler davon aus, dass die Elektronen in den Strahlungsgürteln den gleichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten unterworfen sind", erläutert Shprits. "Jetzt sehen wir aber, dass die Strahlungsgürtel aus unterschiedlichen Populationen (von Elektronen) besteht, die von gänzlich anderen physikalischen Prozessen angetrieben werden."


Wie die Beobachtungen der Van-Allen-Probes jedoch zeigten, wurden nahezu alle ultrarelativistischen Elektronen im September 2012 von durch einen Ionensturm ausgelöste Plasmawellen, aus dem äußeren Ring herausgeschleudert. Die Partikel, die diesen "Sturm" überdauert haben, bildeten dann gemeinsam den dritten Strahlungsgürtel. Danach dehnte sich die Plasmablase die die Erde umgibt aus und umhüllte so auch den neuen Ring, dessen Elektronen dadurch davon abgehalten wurden, sofort wieder durch den Einstrom geladener Teilchen zerstreut zu werden. Erst einen Monat später sorgte ein erneuter, besonders starker Ionensturm dafür, dass der schmale Ring wieder zerstört und aufgelöst wurde.


Wie es scheint, reagieren also die ultrarelativistischen Elektronen auch auf die typischen niederfrequenten elektromagnetischen Pulse im Van-Allen-Gürtel ganz anders als ihre weniger energiereichen Gegenstücke. Während letztere durch diese Pulse beschleunigt werden, bleiben die ultrarelativistischen Elektronen von diesen unberührt, erläutern die Forscher. Der Grund hierfür liege wohl in dem Umstand, dass ihre jeweiligen Frequenzen stark voneinander abweichen.


"Ich glaube, dass wir mit unserer Studie aber erst die Spitze des Eisbergs des neuen Verständnisses über den Van-Allen-Gürtel freigelegt haben", so Shprits abschließend. "Wir müssen immer noch herausfinden, wie diese Elektronen genau beschleunigt werden, woher sie überhaupt stammen und wie sich die Dynamik dieser Gürtel als Reaktion auf unterschiedliche kosmische Stürme unterscheidet."


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Quelle: ucla.edu, nature.com
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