Forscher entdecken Quelle für superschnellen Elektronenregen

Wissenschaftler der UCLA haben eine neue Quelle für superschnelle, energiereiche Elektronen entdeckt, die auf die Erde regnen, ein Phänomen, das zur farbenfrohen Aurora Borealis beiträgt, aber auch eine Gefahr für Satelliten, Raumfahrzeuge und Astronauten darstellt.

Die Forscher beobachteten unerwartete, schnelle „Elektronenniederschläge“ aus der erdnahen Umlaufbahn mit der ELFIN-Mission, einem Paar winziger Satelliten, die auf dem UCLA-Campus von Studenten und Doktoranden gebaut und betrieben wurden, die von einem kleinen Team von Mentoren geleitet wurden.

Durch die Kombination der ELFIN-Daten mit weiter entfernten Beobachtungen der NASA-Raumsonde THEMIS stellten die Wissenschaftler fest, dass der plötzliche Regenguss von Pfeifwellen verursacht wurde, einer Art elektromagnetischer Welle, die durch das Plasma im Weltraum plätschert und Elektronen in der Magnetosphäre der Erde beeinflusst, wodurch sie „ überlaufen“ in die Atmosphäre.

Ihre Ergebnisse, veröffentlicht am 25. März in der Zeitschrift Naturkommunikationzeigen, dass Pfeifwellen für weitaus mehr Elektronenregen verantwortlich sind, als aktuelle Theorien und Weltraumwettermodelle vorhersagen.

„ELFIN ist der erste Satellit, der diese superschnellen Elektronen misst“, sagte Xiaojia Zhang, Hauptautorin und Forscherin in der Abteilung für Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften der UCLA. „Die Mission liefert neue Erkenntnisse aufgrund ihres einzigartigen Blickwinkels in der Kette von Ereignissen, die sie hervorbringen.“

Von zentraler Bedeutung für diese Kette von Ereignissen ist die erdnahe Weltraumumgebung, die mit geladenen Teilchen gefüllt ist, die in riesigen Ringen um den Planeten kreisen, den so genannten Van-Allen-Strahlungsgürteln. Elektronen in diesen Gürteln bewegen sich in Slinky-ähnlichen Spiralen, die buchstäblich zwischen dem Nord- und Südpol der Erde hin und her springen. Unter bestimmten Bedingungen werden in den Strahlungsgürteln Pfeifwellen erzeugt, die die Elektronen erregen und beschleunigen. Dies dehnt den Bewegungsweg der Elektronen effektiv so weit aus, dass sie aus den Gürteln fallen und in die Atmosphäre ausfallen, wodurch der Elektronenregen entsteht.

Man kann sich die Van-Allen-Gürtel als ein großes Reservoir vorstellen, das mit Wasser gefüllt ist – oder in diesem Fall mit Elektronen, sagte Vassilis Angelopolous, UCLA-Professor für Weltraumphysik und Hauptforscher von ELFIN. Wenn sich das Reservoir füllt, fließt das Wasser periodisch in einen Entlastungsabfluss, um ein Überlaufen des Beckens zu verhindern. Bei großen Wellen im Stausee schwappt das Schwallwasser jedoch schneller und in größerem Volumen über den Rand als die Entlastungsentwässerung. ELFIN, das beiden Strömen nachgeschaltet ist, ist in der Lage, die Beiträge von jedem richtig zu messen.

Die Elektronenregenmessungen von ELFIN in geringer Höhe, kombiniert mit den THEMIS-Beobachtungen von Pfeifwellen im Weltraum und ausgefeilten Computermodellen, ermöglichten es dem Team, den Prozess im Detail zu verstehen, durch den die Wellen schnelle Ströme von Elektronen in die Atmosphäre strömen lassen.

Die Ergebnisse sind besonders wichtig, da aktuelle Theorien und Weltraumwettermodelle, obwohl sie andere Quellen von Elektronen berücksichtigen, die in die Atmosphäre gelangen, diesen zusätzlichen, durch Pfeifwellen verursachten Elektronenfluss nicht vorhersagen, der die Atmosphärenchemie der Erde beeinflussen kann, ein Risiko für Raumfahrzeuge darstellt und nur geringe Schäden verursacht – Satelliten umkreisen.

Die Forscher zeigten ferner, dass diese Art von Elektronenverlust im Strahlungsgürtel an die Atmosphäre während geomagnetischer Stürme, Störungen durch verstärkte Sonnenaktivität, die den erdnahen Weltraum und die magnetische Umgebung der Erde beeinträchtigen können, erheblich zunehmen kann.

„Obwohl allgemein angenommen wird, dass der Weltraum von unserer oberen Atmosphäre getrennt ist, sind die beiden untrennbar miteinander verbunden“, sagte Angelopoulos. „Das Verständnis, wie sie miteinander verbunden sind, kann Satelliten und Astronauten zugute kommen, die die Region durchqueren, die für Handel, Telekommunikation und Weltraumtourismus immer wichtiger werden.“

Seit seiner Gründung im Jahr 2013 haben mehr als 300 UCLA-Studenten an ELFIN (Electron Losses and Fields Investigation) gearbeitet, das von der NASA und der National Science Foundation finanziert wird. Die beiden Mikrosatelliten, jeder etwa so groß wie ein Brotlaib und etwa 8 Pfund schwer, wurden 2018 in die Umlaufbahn gebracht und beobachten seitdem die Aktivität energiereicher Elektronen und helfen Wissenschaftlern, die Wirkung magnetischer Stürme in der Nähe besser zu verstehen -Weltraum. Die Satelliten werden vom UCLA Mission Operations Center auf dem Campus betrieben.

„Es ist so bereichernd, unser Wissen über die Weltraumwissenschaft mithilfe von Daten aus der von uns selbst gebauten Hardware erweitert zu haben“, sagte Colin Wilkins, ein Co-Autor der aktuellen Forschung, der Instrumentenleiter von ELFIN und ein Doktorand der Weltraumphysik in der Abteilung der Erd-, Planeten- und Weltraumwissenschaften.