Resonanzen in den Strahlungsgürteln gefunden
Lokale Beschleunigung durch Radiowellen erzeugt die hochenergetischen Elektronen in den Van-Allen-Gürteln.
Seit dem Jahr 1958 sind die Strahlungsgürtel um die Erde bekannt. In den nach ihrem Entdecker auch Van-Allen-Gürtel genannten Zonen herrscht intensive Strahlung, die insbesondere bei Sonnenausbrüchen und koronalen Massenauswürfen stark ansteigen kann. Bei extremen Ereignissen konnten Forscher schon Intensitätszunahmen um drei Größenordnungen innerhalb von nur zwölf Stunden beobachten. Aber auch der gegenteilige Effekt ist bekannt: Mitunter entleert sich der äußere Strahlungsgürtel, wenn starke interplanetare Magnetfelder auf ihn einwirken.
Abb.: Das Phasenraumprofil, das die beiden Raumsonden vermessen haben, weist auf eine lokale Beschleunigung der hochenergetischen Elektronen hin. (Bild: G. Reeves, LANL)
Raumfahrer und Satelliten meiden diese Bereiche nach Möglichkeit, um die Strahlenbelastung und Probleme mit der Elektronik niedrig zu halten. In den letzten Jahren ist das Studium der Strahlungsgürtel weit vorangeschritten. Aufgrund mangelnder Daten blieb die grundlegende Frage bislang jedoch unbeantwortet, woher die hochenergetischen Elektronen in den Strahlungsgürteln stammen, die bis zu einigen Megaelektronenvolt erreichen können. Eine Theorie besagt, dass die Elektronen vor Ort beschleunigt werden. Nach einer anderen Theorie hingegen gelangen hochenergetische Elektronen von außen in die Van-Allen-Gürtel.
Die NASA hat im August 2012 die Zwillings-Raumsonden Van Allen Radiation Belt Storm Probes (RBSP) in einen Orbit gebracht, der quer durch die Strahlungsgürtel führt. Damit können die Forscher nun die Beschränkungen früherer Missionen überwinden, die an unzureichender Auflösung in Energie, begrenztem radialem Messbereich, zu seltener Periode oder zu starker Hintergrundstrahlung litten. Die RBSP-Sonden durchqueren in einer elliptischen Umlaufbahn periodisch das Herz der Van-Allen-Gürtel, deren Ausläufer bis hin zum geosynchronen Orbit in gut sechsfachem Erdradius reichen.
Die Forscher untersuchten vor allem Daten von einem Sonnenausbruch im Oktober 2012. Da der reine Fluss an hochenergetischen Elektronen kein klares Entscheidungskriterium zwischen der lokalen Beschleunigung und der Einspeisung hochenergetischer Elektronen von außen liefert, maßen die Forscher die Phasenraumdichte. Diese entspricht dem Elektronenfluss, geteilt durch das Quadrat des Impulses. Aufgetragen als Funktion „magnetischer Koordinaten“ ermöglichte dies den Forschern zu bestimmen, woher die Elektronen ihre Energie beziehen.
Die Daten der RBSP-Sonden deuten für das Ereignis vom Oktober 2012 auf lokale Beschleunigungsmechanismen hin. Bei starker geomagnetischer Aktivität, wie sie durch Sonnenwinde hervorgerufen wird, entstehen in Höhe der Strahlungsgürtel intensive Radiowellen. Wenn diese mit den Elektronen dort in Resonanz geraten, geben sie – ähnlich den Kavitäten bei Teilchenbeschleunigern – ihre Energie sehr effektiv an die Elektronen ab. Auch die Daten einiger geostationärer Satelliten, die von außen auf dieses Ereignis schauten, sind in Einklang mit diesen Ergebnissen. Die Quelle der hochenergetischen Elektronen in den Strahlungsgürteln liegt also in deren Zentrum und nicht außerhalb.
Dirk Eidemüller
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