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Teilchenphysik: Rätselraten um schnelle Elektronen in der Magnetosphäre der Erde

THEMIS
Reise durch das Magnetfeld der Erde | Die fünf Satelliten der Formation THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interaction during Substorms) der NASA durchqueren auf ihrem Erdumlauf die in die Erde mündenden Magnetfeldlinien.
Erscheinen die Nord- und Südlichter an den Polen intensiver als sonst, liegt die Ursache wohl in Störungen des irdischen Magnetfelds. Solche sekundären magnetischen Stürme ("Substürme") treten häufig auf, beinahe stündlich. Energiereiche geladene Teilchen, hauptsächlich Elektronen, werden hierbei beschleunigt, rasen aus dem Weltraum in die innere Magnetosphäre der Erde und regen die geladenen Teilchen der Ionosphäre zum Leuchten an. Die Frage nach ihrem Ursprung lassen sie aber offen. Die Spuren dieser energetischen Teilchen verfolgt die NASA-Satellitenformation THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interaction during Substorms).

Die THEMIS-Satelliten | Fünf Satelliten wurden von der NASA im Jahr 2007 innerhalb der THEMIS-Mission auf unterschiedliche Umlaufbahnen um die Erde gebracht, um deren Magnetfeld zu vermessen. Zwei davon sind mittlerweile auf dem Weg zum Mond. Die drei anderen setzen die Untersuchung von sekundären magnetischen Stürmen ("Substürme") fort.
THEMIS ist die erste Mission der NASA, bei der im Jahr 2007 gleichzeitig fünf Satelliten mit einer einzelnen Trägerrakete ins All befördert wurden. Die fünf Sonden umkreisen die Erde auf unterschiedlichen Umlaufbahnen und reihen sich alle vier Tage schnurgerade hintereinander auf. Ihre Aufgabe ist es, das Magnetfeld der Erde mit Augenmerk auf magnetische Stürme zu vermessen. Zwei der Satelliten wurden in der Zwischenzeit umbenannt in ARTEMIS und sind auf dem Weg zu einer neuen Bahn um den Mond, während die restlichen weiterhin nach Erschütterungen des Magnetfelds suchen.

Am 15. Februar 2008 durchliefen drei THEMIS-Sonden einen heftigen Sturm in der Magnetosphäre der Erde und erlaubten den Forschern, die Veränderung der Teilchenenergie über eine große Distanz zu messen. Die Ergebnisse zeigen, dass die beschleunigten Elektronen Energie gewinnen, indem sie weit entfernt vom Sturm sich zeitlich verändernde Magnetfelder durchqueren.

Zeitlich ändernde Magnetfelder speisen die Elektronen mit Energie

Sekundäre magnetische Stürme entstehen an einem Ort gegenüber der Sonne auf der Nachtseite der Erde. An diesem Punkt im interplanetaren Raum werden die Energie und die Teilchen des Sonnenwinds über die Zeit hinweg gespeichert. Die geordneten Magnetfeldlinien des erdnahen Weltraums verzerren sich dort in langen Linien, werden manchmal ganz auseinander gerissen und verbinden sich wieder. Wenn sich die Magnetfelder wieder vereinigen, wird die gespeicherte Energie in Explosionen freigesetzt und Teilchen in alle Richtungen ausgesandt. Der genaue Mechanismus, wie die Teilchen während dieses Prozesses beschleunigt werden, blieb lange Zeit ungewiss.

Die von THEMIS gelieferten Daten analysierte ein Team mit Wissenschaftlern der Nanchang University in China, des Goddard Space Flight Center der NASA und der University of Maryland in Baltimore. Die Forscher nutzten Computermodelle, um die komplexe Dynamik des Weltraums zu simulieren, und erkannten, dass die Elektronen beim Wiedervereinigungspunkt der Magnetfeldlinien nicht viel Energie gewinnen. In Erdnähe aber, wo sich die THEMIS-Satelliten befinden, hatte ihre Teilchenenergie um das Zehnfache zugenommen, genau wie von THEMIS in Realität beobachtet.

Die Elektronen erfahren also einen geringen Energiezuwachs durch die Vereinigung der Magnetfelder, fliegen dann Richtung Erde und kreuzen auf ihrem Weg viele sich zeitlich verändernde Magnetfeldlinien. Der erhebliche Energiegewinn wird von den sich ändernden Magnetfeldern verursacht, die das Elektron auf eine spiralförmige Bahn beschleunigen; ein Prozess bekannt als Betatron-Effekt.

Rahel Heule

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  • Quellen
Ashour-Abdalla, M. et al.: Observations and simulations of non-local acceleration of electrons in magnetotail magnetic reconnection events. In: Nature Physics, 2011, doi:10.1038/nphys1903.

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