Magnetfeld: Rätsel der „verschwundenen“ Energie gelöst

Auf frischer Tat ertappt: Forscher haben erstmals nachgewiesen, wo die Energie aus der Kollisionszone von Sonnenwind und Erdmagnetfeld bleibt – und damit eines der Rätsel unserer Magnetosphäre gelöst. Demnach findet in der Grenzzone des Magnetfelds eine bisher unbekannte Art der Rekonnexion statt – ein explosiver Kontakt zwischen zwei Magnetfeldlinien. Dabei entstehen Fontänen schneller Elektronen, die die Energie in All ableiten, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature“ berichten.

Das Magnetfeld der Erde schirmt uns vor den energiereichen Teilchen ab, die ständig von der Sonne und aus den Tiefen des Alls einströmen. Dieses Bombardement ist nicht nur für prächtige Polarlichter verantwortlich, es bleibt auch für den magnetischen Schutzschild nicht ohne Folgen: Die Kollision von Magnetosphäre und Sonnenwind erzeugt eine extrem turbulente Zone verknäulter Felder an der sonnenzugewandten Grenze des Magnetfelds. Mit jedem Sonnensturm lädt sich diese Zone mehr Energie auf.

Wohin verschwindet die Energie?

Doch diese Energie verflüchtigt sich schnell wieder – nur wohin und auf welche Weise dies geschieht, war bisher rätselhaft. Von der ruhigeren Nachtseite der Erde kennen Planetenforscher einen dafür geeigneten Mechanismus – die sogenannte Rekonnexion. Dabei berühren sich Feldlinien im irdischen Magnetschweif und es kommt zu einem explosiven Austausch von Ladungen. Gleichzeitig entstehen heiße Fontänen von schnellen Ionen, die als Plasma-Jet weit ins All hinausschießen – und so die Energie des Feldes abführen.

In der Turbulenzzone der Magnetosphäre jedoch scheint diese Form der Rekonnexion nicht vorzukommen – sie wurde noch nie nachgewiesen. Weil die Magnetfelder dort komplexe Strukturen aus vielen dünnen Schichten bilden, wären Kontakte von Feldlinien zudem sehr kleinräumig und schwer zu detektieren. „Die Auflösung bisheriger Messonden war nicht hoch genug, um Rekonnexionen in diesen dünnen Magnetfeldschichten zu erfassen“, erklärt Erstautor Tai Phan von University of California in Berkeley.

Messonden im Viererformation

Das aber hat sich nun geändert – dank der vier Sonden der NASA-Mission Magnetospheric Multiscale (MMS). Sie durchfliegen seit 2015 in enger Formation den erdnahen Raum und sind speziell darauf ausgelegt, die explosiven, aber kurzlebigen Prozesse der Rekonnexion zu erforschen. Jede der gut drei Meter großen, achteckigen Sonden trägt dafür 25 Sensoren an Bord, einige davon an meterlangen Antennen.

Rekonnexion: Zwei Magnetfeldlinien kommen sich nahe und verbinden sich neu, dabei werden Fontänen energiereicher Teilchen frei. © NASA

Das Entscheidende dabei: Die Instrumente können Präsenz und Verteilung von Ionen und Elektronen mit einer zeitlichen Auflösung von 37,5 beziehungsweise 7,5 Millisekunden messen. „Das ist 80 und 400 Mal besser aufgelöst als alle bisher verfügbaren Daten“, so die Forscher. Damit, so die Hoffnung, könnten die Sensoren gerade schnell genug sein, um die kleinmaßstäbigen und extrem kurzlebigen Rekonnexionen an der turbulenten Vorderseite der Magnetosphäre nachzuweisen – wenn sie denn stattfinden.

Schnelle Elektronen-Fontänen

Und tatsächlich: Am 9. Dezember 2016 registrierten die vier MMS-Sonden etwas Ungewöhnliches. Die Sensoren erfassten eine plötzliche, kurzlebige Zunahme von Elektronen an einer der dünnen Magnetfeldschichten. Die schnellen Teilchen schossen in genau entgegengesetzten Richtungen aus dieser Schicht heraus, wie die Messdaten verrieten. Diese Partikel-Jets waren damit typisch für eine Rekonnexion, wie die Forscher berichten.

Allerdings: Die Art der Teilchen war ungewöhnlich. Denn bei diesem Ereignis rasten nur Jets von schnelleren Elektronen ins All hinaus. Von Ionen dagegen fehlte jede Spur. Für die Forscher war damit klar: Es musste sich zwar um eine magnetische Rekonnexion handeln, aber eine ganz andere als man sie von der Nachtseite des Magnetfelds her kannte. „Die Entdeckung dieser nur mit Elektronen verbundenen Rekonnexion demonstriert, dass dieser Prozess in Magnetosphärenbereichen mit kleineren Feldschichten anders funktioniert“, sagen Phan und seine Kollegen.

Rekonnexion als Energie-Ableiter

Das Entscheide aber: Durch diesen Nachweis ist nun klar, wohin die Energie der Turbulenzzone unserer Magnetosphäre verschwindet: Die magnetische Energie wird durch die Elektronen-Fontänen der Rekonnexion freigesetzt und im All verteilt. „Unsere Ergebnisse stützen die Annahme, dass die Rekonnexion eine wichtige Rolle bei der Zerstreuung der Energie spielt“, konstatieren die Forscher.

Die neuen Erkenntnisse erlauben aber auch Rückschlüsse auf die Energieabgabe anderer turbulenter Systeme. Denn ähnliche Turbulenzen gibt es auch auf der Sonne, im interstellaren Medium, in Supernova-Überesten und im flüssigen äußeren Kern unserer Erde. (Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0091-5)

(University of California – Berkeley, 11.05.2018 – NPO)