Strahlungsschild der Erde nicht so dicht wie gedacht, zeigt Japans Arase

Zehn Jahre lang stellten sich Forschende eine Art unsichtbare Mauer in den Strahlungsgürteln rund um die Erde vor. Nun hat Japans Satellit Arase beobachtet, wie sie durchbrochen wurde.

Beim extremen Sonnensturm im Mai 2024 stieg die Zahl sehr energiereicher Elektronen in dieser Zone auf mehr als das 5.000-Fache. Für das alte Bild ist das ein großes Problem.

Was ist passiert?

Im Mai 2024 schleuderte eine Serie von Eruptionen auf der Sonne Milliarden Tonnen magnetisiertes Plasma in unsere Richtung. Das Ergebnis war ein G5-Sturm, die höchste Stufe auf der Skala der NOAA (der US-Behörde für Wetter und Ozeane). Der Sonnenwind erreichte 1.200 Kilometer pro Sekunde.

Ein Team um den Weltraumphysiker Yoshizumi Miyoshi von der Universität Nagoya wertete Arases Daten aus. Laut der Studie, erschienen in Geophysical Research Letters, stieg die Zahl der Elektronen mit rund drei Megaelektronenvolt um mehr als das 5.000-Fache.

Der Anstieg kam in Etappen. Zuerst nahmen Elektronen mit geringerer Energie zu. Etwa zwölf Stunden später tauchten energiereichere auf, und rund einen Tag danach stiegen auch die über drei Megaelektronenvolt.

Warum ist das wichtig?

Die Van-Allen-Gürtel sind zwei Regionen, in denen Teilchen vom Magnetfeld der Erde festgehalten werden. Der innere besteht überwiegend aus Protonen, der äußere enthält viele energiereiche Elektronen.

Nach Deutung des Teams leerte der Sturm dichtes, kaltes Plasma aus der Plasmasphäre, einer Region um die Erde, die bestimmte Wellen normalerweise dämpft. So konnten sogenannte Chorus-Wellen Energie auf Elektronen übertragen und sie fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Die Teilchenverteilung hatte ihr Maximum nahe der Grenze. Das spricht für Beschleunigung vor Ort und nicht für Transport von weiter außen.

Warum das zählt? Diese Teilchen können die Abschirmung von Satelliten durchdringen und empfindliche Elektronik beschädigen. Außerdem erhöhen sie das Strahlungsrisiko für Astronauten, die diese Regionen durchqueren.

Zur Erinnerung: Was war die alte Vorstellung?

2014 entdeckten die Van Allen Probes der NASA eine scharfe innere Grenze, etwa drei Erdradien vom Erdmittelpunkt entfernt, die die energiereichsten Elektronen kaum überschritten. Der Physiker Daniel Baker verglich sie mit einer Glaswand.

Eine Erklärung war, dass bestimmte Wellen Elektronen Richtung Atmosphäre drängten, während ihre Drift nach innen zu langsam war, um die Grenze zu überwinden.

Wie geht es weiter?

Arase registrierte bis Oktober 2024 einen allmählichen Rückgang der ultrarelativistischen Elektronen, als ein weiterer Sturm die Bedingungen erneut veränderte. Die Studie betrachtet ein einziges Extremereignis. Ob schwächere Stürme dieselbe Beschleunigung auslösen können, ist noch offen.