Zebrastreifen im inneren Strahlungsgürtel der Erde
Erdrotation beeinflusst über Resonanzeffekt Energieverteilung der Elektronen im Van-Allen-Gürtel.
Während bei den Planeten Jupiter und Saturn die Rotation einen signifikanten Einfluss auf die Strahlungsgürtel besitzt, wurde ein Einfluss der Erdrotation auf die irdischen Strahlungsgürtel bislang negiert. Denn das von der Erddrehung in der inneren Magnetosphäre erzeugte elektrische Feld kann die Geschwindigkeit von dort gefangenen Teilchen nur um ein oder zwei Kilometer pro Sekunde ändern – bei Geschwindigkeiten der Elektronen im Bereich von 100.000 Kilometern pro Sekunde. Als Ursache etwaiger Abweichungen von einer glatten Energieverteilung hat man daher bislang ausschließlich die Sonnenaktivität angesehen.
Abb.: Erde mit magnetischen Feldlinien, darin eingebettet mehrere farblich hervorgehobene Regionen, die die Erde ringförmig umgeben. (Bild: NASA)
Umso überraschender ist die Entdeckung, die Aleksandr Ukhorskiy von der Johns Hopkins University und seine Kollegen mit den US-amerikanischen Van-Allen-Sonden gemacht haben, die seit August 2012 die irdischen Strahlungsgürtel untersuchen. Die Messungen des Satelliten-Paares zeigen, dass im inneren Strahlungsgürtel die Verteilung der Elektronenenergie in Abhängigkeit vom Abstand von der Erde eine streifenförmige Verteilung aufweist. Diese „Zebrastreifen“ treten im Gegensatz zu den Erwartungen nicht nur bei geringer Sonnenaktivität auf, sie sind dann sogar stärker ausgeprägt als bei hoher Aktivität unseres Zentralgestirns.
Ukhorskiy und seine Kollegen schließen daraus, dass die „Zebrastreifen“ nicht von außen, sondern von innen, also von der Erde, stammen. Wie lässt sich das erklären? Einerseits führen die Krümmung und der Gradient des irdischen Magnetfelds dazu, dass die Elektronen sich nicht einfach entlang der Feldlinien bewegen, sondern eine langsame longitudinale Drift zeigen. Andererseits ist das magnetische Moment der Erde nicht exakt parallel zur Rotationsachse. Die Rotation des gekippten Magnetfelds induziert ein mit einer Periode von 24 Stunden oszillierendes elektrisches Feld.
Abb.: Die im August 2012 gestarteten Van-Allen-Sonden untersuchen den Strahlungsgürtel der Erde (Bild: NASA)
Dieses Feld ist zwar eigentlich zu schwach für einen signifikanten Effekt, doch für Elektronen mit einer Driftperiode von 24 Stunden summiert sich der Einfluss auf – und diese Resonanz, so die Forscher, führe letztlich zur Bildung des Streifenmusters in der Energieverteilung. In einem Computermodell konnten die Forscher den Resonanzeffekt reproduzieren: Das Modell erzeugt ein Streifenmuster, dass dem beobachteten Muster stark ähnelt. Außerdem zeigen die Simulationen in Übereinstimmung mit den Messungen, dass geomagnetische Stürme das Muster nicht verstärken, sondern stören.
Rainer Kayser
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