Sonnensturm trifft irdischen Strahlengürtel

Dramatischer Treffer: Was passiert, wenn der Schutzschild der Erde von einem Sonnensturm getroffen wird, haben Forscher nun erstmals live beobachtet. Wie sich zeigte, reißt die gewaltige Energie der geladenen Wolke langsame Elektronen aus den Strahlengürteln der Erde mit und beschleunigt sie in nur 60 Sekunden auf nahezu Lichtgeschwindigkeit. Dadurch entstehen die gefährlichen ultraschnellen Teilchen, die Satelliten und Raumschiffe schädigen können.

Unser Planet ist von einem doughnutförmigen Ring aus energiereichen geladenen Teilchen umgeben. Dieser Van-Allen-Gürtel enthält unter anderem eine Schicht, die wie ein Plasmaschild wirkt und energiereiche Teilchen von der Erde fernhält. 2012 enthüllten die seit 2012 im Strahlengürtel kreisenden NASA Zwillingssonden zudem, dass die normalerweise zweiteilige Hülle zeitweilig sogar eine dritte Schicht bekommt. Diese besteht aus extrem stark beschleunigten, sogenannten ultrarelativistischen Elektronen

Abgeprallt und umgeleitet

Woher diese Elektronen kommen und wie sie so stark beschleunigt werden, war bisher aber nur in Teilen klar. Jetzt ist John Foster vom Haystack Observatory des MIT und seinen Kollegen hier ein echter Durchbruch gelungen. Denn dank der beiden Van Allen Probes der NASA konnten sie erstmals live beobachten, was geschieht, wenn ein Sonnensturm auf den Van Allen Gürtel trifft.

Die Wolke aus extrem energiereichen geladenen Teilchen erreichte am 8. Oktober 2013 die Erde. Als sie auf den Van Allen Gürtel und die Ausläufer des Erdmagnetfelds traf, „prallte sie wie ein Vorschlaghammer gegen diese Schutzbarriere, wie Foster erklärt. Doch statt diese zu durchschlagen, federte sie zurück und erzeugte einen magnetisierten Puls von extrem niedrigfrequenten Wellen, der entlang des Strahlengürtels innerhalb einer Minute bis auf die entgegengesetzte Seite der Erde lief.

Diese Grafik zeigt den Aufbau des Van Allen Gürtels und die Prozesse beim Auftreffen eines Sonnensturms © NASA

Beschleunigt in nur 60 Sekunden

Dann passierte Überraschendes: Während er um den Strahlengürtel raste, sammelte der Magnetpuls langsame, energiearme Elektronen aus dem Van Allen Gürtel auf und beschleunigte sie innerhalb von nur 60 Sekunden auf Energie von drei bis vier Millionen Elektronenvolt. Dadurch erhöhte sich die Anzahl der ultrarelativistischen Elektronen im Strahlgengürtel schlagartig auf das Zehnfache, wie die Forscher berichten. „Das diese Teilchen in nur einer Minute um den Faktor zehn beschleunigt werden, ist selbst für den Van Allen Gürtel enorm schnell“, sagt Foster.

Dieser Mechanismus könnte möglicherweise erklären, warum der Strahlengürtel der Erde ab und zu eine Zusatzschicht aus solchen ultraschnellen Elektronen entwickelt. Denn die Van Allen Gürtel werden mehrere Mal pro Monat von Sonnenstürmen getroffen. Das von den Forschern im Oktober 2013 beobachtete Ereignis war sogar eher ein schwächeres dieser Art, wie sie sagen.

Wichtig für Raumfahrt und Satelliten

Zu verstehen, wann und warum der Strahlengürtel besonders viele energiereiche Teilchen enthält, ist vor allen für die Raumfahrt und für Satellitenbetreiber wichtig. „Die bei einem solchen Puls entstehenden ultrarelativistischen Elektronen können einen Satelliten problemlos durchschlagen“, erklärt Foster. Ein Raumschiff und Astronauten, die sich in diesem Moment im Strahlengürtel aufhalten, würden schwere Schäden davontragen. Erkenntnisse über die physikalischen Prozesse im Strahlengürtel helfen dabei, entsprechende Schutzmechanismen zu entwickeln. (Journal of Geophysical Research, 2015; doi: 10.1002/2014JA020642)

(Massachusetts Institute of Technology, 23.02.2015 – NPO)