Gewitter spielen mit dem Weltraumwetter ein kosmisches Spiel

Wenn ein Blitz einschlägt, strömen die Elektronen herab. In einer neuen Studie haben Forscher der University of Colorado Boulder unter der Leitung eines Studenten im Grundstudium einen neuartigen Zusammenhang zwischen dem Wetter auf der Erde und dem Weltraumwetter entdeckt. Das Team nutzte Satellitendaten, um zu zeigen, dass Gewitter auf unserem Planeten besonders energiereiche oder „extraheiße“ Elektronen aus dem inneren Strahlungsgürtel verdrängen können – einer Region des Weltraums, die von geladenen Teilchen umgeben ist, die die Erde wie eine innere Röhre umgeben.

Die Ergebnisse des Teams könnten Satelliten und sogar Astronauten helfen, gefährliche Strahlung im Weltraum zu vermeiden. Dies ist eine Art Regenguss, in den man nicht geraten sollte, sagte der Hauptautor und Student Max Feinland.

„Diese Teilchen sind die gruseligen oder das, was manche Leute ‚Killerelektronen‘ nennen“, sagte Feinland, der im Frühjahr 2024 seinen Bachelor-Abschluss in Luft- und Raumfahrttechnik an der CU Boulder erhielt. „Sie können Metall auf Satelliten durchdringen, Leiterplatten treffen und können.“ krebserregend sein, wenn sie eine Person im Weltraum treffen.“

Der Studie erschien am 8. Oktober im Tagebuch Naturkommunikation.

Die Ergebnisse werfen einen Blick auf die Strahlungsgürtel, die durch das Erdmagnetfeld erzeugt werden. Lauren Blum, Mitautorin des Artikels und Assistenzprofessorin am Laboratory for Atmospheric and Space Physics (LASP) der CU Boulder, erklärte, dass zwei dieser Regionen unseren Planeten umkreisen: Während sie sich im Laufe der Zeit stark bewegen, tendiert der innere Gürtel mehr als 600 Meilen über der Oberfläche beginnen. Der äußere Gürtel beginnt etwa 19.000 Kilometer von der Erde entfernt. Diese schwimmenden Pools im Weltraum fangen geladene Teilchen ein, die von der Sonne auf unseren Planeten strömen, und bilden eine Art Barriere zwischen der Erdatmosphäre und dem Rest des Sonnensystems.

Aber sie sind nicht gerade luftdicht. Wissenschaftler wissen beispielsweise seit langem, dass hochenergetische Elektronen aus dem äußeren Strahlungsgürtel auf die Erde fallen können. Blum und ihre Kollegen sind jedoch die ersten, die einen ähnlichen Regen aus dem inneren Gürtel entdecken.

Mit anderen Worten: Erde und Weltraum sind möglicherweise nicht so getrennt, wie sie aussehen.

„Das Weltraumwetter wird wirklich sowohl von oben als auch von unten bestimmt“, sagte Blum.

Blitz aus heiterem Himmel

Es ist ein Beweis für die Kraft des Blitzes.

Wenn ein Blitz am Himmel der Erde zuckt, kann dieser Energieausbruch auch Radiowellen aussenden, die spiralförmig tief in den Weltraum schießen. Wenn diese Wellen auf Elektronen in den Strahlungsgürteln treffen, können sie diese freistoßen – ein bisschen so, als würde man seinen Regenschirm schütteln, um das Wasser abzustoßen. In einigen Fällen kann eine solche „durch Blitze verursachte Elektronenausfällung“ sogar die Chemie der Erdatmosphäre beeinflussen.

Bisher hatten Forscher nur direkte Messungen von Elektronen niedrigerer Energie oder „kälterer“ Elektronen gesammelt, die aus dem inneren Strahlungsgürtel fallen.

„Normalerweise gilt der Innengürtel als etwas langweilig“, sagte Blum. „Es ist stabil. Es ist immer da.“

Die neue Entdeckung ihres Teams kam fast zufällig zustande. Feinland analysierte Daten des inzwischen stillgelegten NASA-Satelliten Solar, Anomalous, and Magnetospheric Particle Explorer (SAMPEX), als er etwas Seltsames sah: Klumpen scheinbar hochenergetischer Elektronen, die sich durch den inneren Gürtel bewegten.

„Ich habe Lauren einige meiner Veranstaltungen gezeigt und sie sagte: ‚Das ist nicht der Ort, an dem diese stattfinden sollten‘“, sagte Feinland. „Einige Literaturstellen deuten darauf hin, dass es im inneren Gürtel überhaupt keine hochenergetischen Elektronen gibt.“

Das Team beschloss, tiefer zu graben.

Insgesamt zählte Feinland zwischen 1996 und 2006 45 Ausbrüche hochenergetischer Elektronen im inneren Gürtel. Er verglich diese Ereignisse mit Aufzeichnungen von Blitzeinschlägen in Nordamerika. Tatsächlich schienen einige der Elektronenspitzen weniger als eine Sekunde nach dem Blitzeinschlag auf dem Boden aufzutreten.

Elektronen-Flipper

Das Team geht davon aus, dass Folgendes passiert: Nach einem Blitzeinschlag lösen Radiowellen von der Erde eine Art manisches Flipperspiel im Weltraum aus. Sie schlagen Elektronen im inneren Gürtel an, die dann beginnen, zwischen der nördlichen und südlichen Hemisphäre der Erde hin und her zu springen – und zwar in nur 0,2 Sekunden.

Und jedes Mal, wenn die Elektronen abprallen, fallen einige von ihnen aus dem Gürtel und in unsere Atmosphäre.

„Man hat einen großen Elektronenklumpen, der abprallt, dann zurückkehrt und erneut abprallt“, sagte Blum. „Sie werden dieses anfängliche Signal sehen, und es wird abklingen.“

Blum ist sich nicht sicher, wie oft solche Ereignisse passieren. Sie können vor allem in Zeiten hoher Sonnenaktivität auftreten, wenn die Sonne viele hochenergetische Elektronen ausspuckt und den inneren Gürtel mit diesen Teilchen füllt.

Die Forscher möchten diese Ereignisse besser verstehen, damit sie vorhersagen können, wann sie wahrscheinlich eintreten werden, und so möglicherweise dazu beitragen, die Sicherheit von Menschen und Elektronik im Orbit zu gewährleisten.

Feinland seinerseits ist dankbar für die Gelegenheit, diese großartigen Stürme studieren zu dürfen.

„Mir wurde gar nicht bewusst, wie sehr mir die Forschung Spaß macht, bis ich dieses Projekt machen durfte“, sagte er.

Zu den weiteren Co-Autoren der neuen Studie gehörten Robert Marshall, außerordentlicher Professor am Ann and HJ Smead Department of Aerospace Engineering Sciences an der CU Boulder, Longzhi Gan von der Boston University, Mykhaylo Shumko vom Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University und Mark Looper von The Luft- und Raumfahrtgesellschaft.