Zwei Wissenschaftler der University of Alaska Fairbanks haben einen neuen Typ „Whistler“ entdeckt, eine elektromagnetische Welle, die eine erhebliche Menge Blitzenergie in die Magnetosphäre der Erde transportiert.
Die Forschung ist veröffentlicht heute in Wissenschaftliche Fortschritte.
Vikas Sonwalkar, emeritierter Professor, und Amani Reddy, Assistenzprofessor, entdeckten den neuen Wellentyp. Die Welle transportiert Blitzenergie, die in niedrigen Breitengraden in die Ionosphäre eindringt, in die Magnetosphäre. Die Energie wird von der unteren Grenze der Ionosphäre in etwa 55 Meilen Höhe in der gegenüberliegenden Hemisphäre nach oben reflektiert.
Bisher glaubte man, so die Autoren, dass Blitzenergie, die in niedrigen Breiten in die Ionosphäre eindringt, in der Ionosphäre gefangen bleibt und daher die Strahlungsgürtel nicht erreicht. Die Gürtel bestehen aus zwei Schichten geladener Teilchen, die den Planeten umgeben und durch das Magnetfeld der Erde an ihrem Platz gehalten werden.
„Wir als Gesellschaft sind von der Weltraumtechnologie abhängig“, sagte Sonwalkar. „Moderne Kommunikations- und Navigationssysteme, Satelliten und Raumfahrzeuge mit Astronauten an Bord sind schädlichen energiereichen Partikeln der Strahlungsgürtel ausgesetzt, die elektronische Geräte beschädigen und Krebs verursachen können.“
„Ein besseres Verständnis der Strahlungsgürtel und der Vielfalt der elektromagnetischen Wellen, die sie beeinflussen – einschließlich jener, die von Blitzen auf der Erde ausgehen – ist für menschliche Operationen im Weltraum von entscheidender Bedeutung“, sagte er.
Sonwalkar und Reddy haben eine Art Whistler-Welle entdeckt, die sie als „spiegelnd reflektierten Whistler“ bezeichnen. Whistler erzeugen ein pfeifendes Geräusch, wenn sie über einen Lautsprecher abgespielt werden.
Blitzenergie, die in höheren Breiten in die Ionosphäre eintritt, erreicht die Magnetosphäre als eine andere Art von Whistler, der sogenannte magnetosphärisch reflektierte Whistler, der innerhalb der Magnetosphäre eine oder mehrere Reflexionen erfährt.
Die Ionosphäre ist eine Schicht der oberen Erdatmosphäre, die durch eine hohe Konzentration an Ionen und freien Elektronen gekennzeichnet ist. Sie wird durch Sonnenstrahlung und kosmische Strahlung ionisiert, wodurch sie leitfähig und für die Funkkommunikation entscheidend ist, da sie Funkwellen reflektiert und modifiziert.
Die Magnetosphäre der Erde ist ein Raumbereich, der den Planeten umgibt und durch das Magnetfeld der Erde gebildet wird. Sie bildet eine Schutzbarriere, die verhindert, dass die meisten Partikel des Sonnenwinds die Atmosphäre erreichen und Leben und Technologie schädigen.
Die Forschungen von Sonwalkar und Reddy zeigen, dass beide Arten von Whistlern – spiegelnd reflektierte Whistler und magnetosphärisch reflektierte Whistler – in der Magnetosphäre koexistieren.
Für ihre Forschung nutzten die Autoren Plasmawellendaten der Van-Allen-Sonden der NASA, die 2012 gestartet und bis 2019 in Betrieb waren, sowie Blitzdaten des World Wide Lightning Detection Network.
Sie entwickelten ein Wellenausbreitungsmodell, das bei Berücksichtigung spiegelnd reflektierter Whistler eine Verdoppelung der Blitzenergie zeigte, die die Magnetosphäre erreichte.
Die Überprüfung der Plasmawellendaten der Van-Allen-Sonden zeigte, dass spiegelnd reflektierte Whistler ein häufiges Phänomen in der Magnetosphäre sind.
Die meisten Blitze ereignen sich in den niedrigen Breitengraden, also in den tropischen und subtropischen Regionen, wo es häufig zu Gewittern kommt.
„Das bedeutet, dass spiegelnd reflektierte Whistler wahrscheinlich einen größeren Teil der Blitzenergie in die Magnetosphäre transportieren als magnetosphärisch reflektierte Whistler“, sagte Sonwalkar.
Die Auswirkungen von durch Blitze erzeugten Whistler-Wellen auf die Physik von Strahlungsgürteln und ihre Verwendung bei der Fernerkundung von Magnetosphärenplasma werden seit den 1950er Jahren erforscht.
Sonwalkar und Reddy gehören zur Abteilung für Elektro- und Computertechnik am UAF College of Engineering and Mines. Reddy ist außerdem Mitglied des Geophysical Institute der UAF.
Die Forschung von Sonwalkar und Reddy wird durch Zuschüsse der National Science Foundation und des NASA EPSCoR, dem Established Program to Stimulate Competitive Research, unterstützt.
Weitere Informationen:
Vikas S. Sonwalkar et al., Spiegelnd reflektierter Whistler: Ein Kanal in niedrigen Breiten zur Kopplung von Blitzenergie an die Magnetosphäre, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado2657