Sonntag, 20. August 2017
04.12.2014
 
 

Schutzschilde der Erde: Aller guten Dinge sind drei

Andreas von Rétyi

Zum Beginn der Raumfahrtära stießen Forscher auf zwei große Strahlungsgürtel der Erde, die unsere Erde vor bedrohlicher Strahlung abschirmen. Das Erdmagnetfeld hält hier energiereiche geladene Teilchen fest. Innerhalb dieser Gürtel kann die biologische Strahlungsbelastung zur ernsten Gesundheitsgefahr werden. Und vieles in jener Zone ist noch rätselhaft, mit Überraschungen darf jederzeit gerechnet werden. Das belegt auch die recht aktuelle Entdeckung eines dritten Schutzschildes.

 

Seit der Entdeckung eines weiteren, temporären Strahlungsgürtels unseres Planeten wird die ohnehin schon physikalisch komplexe Situation um die berühmten »Van-Allen-Gürtel« der Erde noch komplexer und geheimnisvoller. Forscher bemühen sich nun anhand der aktuellen Daten, wie sie seit 2012 von den Van-Allen-Zwillingssonden der NASA gewonnen wurden, um ein besseres Verständnis der Phänomene, die sich hier im Erdmagnetfeld abspielen.

 

Anfang 1958 bestätigten Beobachtungen mit dem Explorer-1-Satelliten sowie auch mit Explorer 3 die bereits länger gehegte Vermutung zu einem die Erde umgebenden Strahlungsgürtel, der nach dem Missionsleiter als »Van-Allen-Gürtel« bezeichnet wurde. Genauer gesagt, konnten damals gleich zwei solcher Zonen nachgewiesen werden, eine innere sowie eine äußere, deutlich voneinander getrennt.

 

Der enger um die Erde »geschnallte« Gürtel erstreckt sich in einem Bereich von etwa 700 bis 9000 Kilometern Distanz von der Erdoberfläche. Hier sind vor allem sehr energiereiche Wasserstoffkerne rasant unterwegs. Oberhalb dieses Protonengürtels folgt dann ab etwa 13 000 bis 50 000 Kilometern Höhe ein Elektronengürtel. Als wesentliche Herkunftsorte der Teilchen vermutete man bis vor Kurzem die beiden üblichen Quellen: kosmische Strahlung und Sonnenwind.

 

Am 30. August 2012 starteten dann von der Cape Canaveral Air Force Station in Florida aus die beiden speziell für die Strahlungsgürtel gerüsteten Sonden Van Allen A und Van Allen B. Diese beiden Raumschiffe wurden für die harten Bedingungen innerhalb dieser Zone extra abgesichert, denn die meisten Satelliten hielten hier nicht lange durch.

 

Was die »Van-Allens« bald an Ergebnissen lieferten, verschlug den Wissenschaftlern den Atem – und »forderte unsere gegenwärtigen Ansichten zur Physik der Strahlungsgürtel heraus«, so erklärt der kalifornische Astrophysiker Yuri Shprits, führender Autor einer schon zum 22. September 2013 im Fachblatt Nature Physics erschienenen Studie. Mittlerweile gibt es bereits wieder eine ganze Reihe neuer Erkenntnisse zum Phänomen »Van-Allen-Gürtel«.

 

Die Primärmission des Sonden-Duos war auf zwei Jahre ausgelegt, doch erklärten die Projektwissenschaftler das Unternehmen schon am 26. März 2014 zum vollen Erfolg, da alle wesentlichen Zielsetzungen bereits anderthalb Jahre nach dem Start erreicht worden waren. Und doch ging es mit bemerkenswerten Entdeckungen und genügend neuen Fragen weiter.

 

So folgte dann auch am 27. November 2014 eine weitere Publikation im Nature-Magazin, die sich vor allem der Entdeckung eines dritten, nur temporär auftretenden Strahlungsgürtels widmet. Diese Barriere scheint für die schnellsten, außergewöhnlich energiereichen Elektronen undurchdringlich, sodass sie von der Erde vollends abgehalten werden.

 

Dass die Strahlungsgürtel keine starren Strukturen sind, steht schon lange fest und leuchtet auch unmittelbar ein: Das Wechselspiel der solar-terrestrischen Beziehungen, das Weltraumwetter, wirkt sich hier deutlich aus. Mit der variablen Sonnenaktivität schwellen die Strahlungsgürtel an oder gehen wieder zurück, je nachdem, welcher Teilchenfluss von außen einfällt.

 

Allerdings belegen die aktuellen Sondendaten, dass die bisherige Theorie in ihrer ursprünglichen Form auch nicht ganz zutrifft. Denn sehr viele geladene Teilchen werden durch das ungestüme Wirken elektromagnetischer Felder direkt innerhalb des Gürtels aus den dortigen Atomen erzeugt. Besonders spannend ist aber die Entdeckung jener neuen Barriere am inneren Rand des äußeren Van-Allen-Gürtels. »Diese Barriere ultraschneller Elektronen ist eine bemerkenswerte Struktur innerhalb der Gürtel«, so kommentiert der Weltraumwissenschaftler Dan Baker als führender Autor der neuen Untersuchung und betont: »Wir können das jetzt erstmalig studieren, weil uns nie zuvor dermaßen genaue Messungen dieser hochenergetischen Elektronen zur Verfügung standen.«

 

 

Die aktuelleren Daten lassen nun auch besser verstehen, warum zwischen den beiden Gürteln ein relativ leerer Raum existiert. Grundsätzlich stellt sich schließlich die Frage: Warum gibt es die Lücke zwischen den Zonen? Die neuen Beobachtungen zeigen eine deutlich ausgeprägte, scharfe innere Grenze des Außengürtels. Die schnellsten Elektronen können sie unter normalen Umständen einfach nicht überwinden – ein effektiver Schutzschirm also. In diesem Maße hatte das niemand vermutet. Was aber könnte die Ursache sein?

 

Die Forscher dachten über verschiedenste Möglichkeiten nach, von anthropogener Aktivität über die Form des Erdmagnetfelds bis hin zur Anwesenheit weiterer, bisher unentdeckter Weltraumteilchen. Sie werden als wahrscheinlichste Ursache gesehen: in Gestalt einer relativ kühlen Wolke geladener Partikel, der Plasmasphäre. Dieses Gebilde erstreckt sich von der äußeren Erdatmosphäre von rund 1000 Kilometer Höhe bis zum Ansatz des äußeren Van-Allen-Gürtels, bei rund 11 500 Kilometer. Nach gegenwärtiger Ansicht der Physiker werden die Teilchen des äußeren Gürtels an diesem scharfen Übergang von der Plasmasphäre gestreut. Der Effekt ist relativ schwach und reicht wohl nicht, die Elektronen an der Grenze festzuhalten. Diese Gürtel-Elektronen bewegen sich unvorstellbar schnell, allerdings nicht in Richtung Erde. Vielmehr nehmen sie Schleifenbahnen um sie ein.

 

Aus den Daten der Van-Allen-Sonden geht hervor, dass die meisten der energiereichsten Elektronen in der erdwärts gerichteten Komponente nur eine sehr geringfügige Bewegung aufweisen, die sich erst über einen Zeitraum von Monaten als langsame Drift bemerkbar macht. So genügt der schwache Streueffekt der Plasmasphäre, um hier völlig blockierend zu wirken. Treten allerdings Extrembedingungen ein, vor allem natürlich im Zuge von Sonnenflares mit koronalen Massenejektionen, bei denen Plasmawolken in den erdnahen Raum geschleudert werden, dann können die Elektronen des äußeren Gürtels in die leere Zone zwischen den beiden Gürteln gedrückt werden, wobei die Plasmasphäre nach innen rückt. Sie wird wie ein Gummiball verformt. Dann entsteht zeitweilig der zusätzliche Gürtel.

 

Tatsächlich verhält sich die Sachlage natürlich komplexer. Die Beobachtungen zeigen auch, dass der dritte Ring durchaus sehr beständig sein und für Elektronen höchster Energien, sofern durch weitere Einflüsse ungestört, bis zu 100 Tage existieren kann. Entsprechende Analysen wurden bereits Mitte 2013 von Richard Thorne, einem auf die Strahlungsgürtel spezialisierten kalifornischen Physiker, im Fachblatt Geophysical Review Letters veröffentlicht. Er zog hierzu sowohl Daten der Van-Allen-Sonden als auch der THEMIS-Mission heran, bei der fünf Satelliten über mehrere Jahre hinweg magnetosphärische Störungen erkundet hatten.

 

 

Die Van-Allen-Sonden sind in der Lage, das bislang weiteste Spektrum an Energien und Teilchen zu registrieren. So glückten dann auch genaue Messungen der Teilchen in jenem engen dritten »Zusatzring«. Hier liegen die Elektronen-Geschwindigkeiten bei bis zu 99,9 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Die Energie dieser ultrarelativistischen Teilchen stammt fast ausschließlich aus ihrem Impuls. Was im Zwischenraum zwischen den Van-Allen-Gürteln geschieht, könnte nach Ansicht der Forscher bald Licht auf nie zuvor gesehene physikalische Prozesse werfen.

 

Computersimulationen zeigten auf Grundlage der Sondendaten, dass ein bislang anerkannter Prozess, der Teilchen auf hohe Energien bringt, für die ultraschnellen Teilchen nicht greift. Doch im Plasma der Strahlungsgürtel existieren besondere Bedingungen und verschiedene Wellentypen, die wesentlich für die Vorgänge dort verantwortlich sind. So gibt es einen Typus sehr niederfrequenter Wellen, die nicht auf die ultraschnellen Elektronen wirken, nur auf die langsameren »Kollegen«.

 

Umgekehrt verhält es sich mit den EMIC-Wellen (EMIC = ElectroMagnetic Ion Cyclotron). Noch ein dritter Wellentyp mischt sich in dieses komplexe Wechselspiel. Am Ende bleiben dann die ultraschnellen Elektronen innerhalb eines schmalen Ringes gebunden – dem dritten Gürtel. Sicher werden hier noch etliche neue Beobachtungen und theoretische Arbeiten folgen.

 

Der Schutzwirkung der Van-Allen-Strahlungsgürtel für unseren Planeten steht die Belastung für die bemannte Raumfahrt gegenüber. Der Grad dieser Bedrohung hängt von verschiedenen Faktoren ab, natürlich von der Aufenthaltsdauer und der momentanen Situation des »Weltraumwetters«. Missionsdauer, Bahndaten und Konstruktionsmerkmale eines bemannten Raumschiffes sind mitentscheidend für die gesundheitliche Belastung. Im Extrem kann sie im inneren Gürtel innerhalb von nur einer Stunde auf das Hundertfache der mittleren Jahresdosis (Meeresniveau) ansteigen.

 

Im Durchschnitt summiert sich die Strahlungsbelastung nach einem Tag im Van-Allen-Gürtel auf die Jahresdosis am Erdboden. Dabei kommt der Organismus mit einer über längere Zeit verteilten Strahlungsbelastung natürlich weit besser zurecht als mit einer kurzzeitig deutlich erhöhten Exposition. Trotzdem werden die kurzen Durchflüge durch die Gürtel bei der bemannten Raumfahrt in Kauf genommen – andernfalls müsste sie an den Nagel gehängt werden. Vielleicht wird genau dies aber beim geplanten Marsflug der Fall sein.

 

Einige Forscher erklären jedenfalls, die in den kommenden Jahren niedrige Sonnenaktivität werde für einen zu starken Einfall kosmischer Strahlung ins Planetensystem sorgen. Die Belastung bei Langzeitflügen sei dadurch zu hoch, eben auch für die lange Reise zum Mars, abgesehen von anderen dabei zu berücksichtigenden medizinischen Problemen sowie der Tatsache, dass sich die Ankündigungen für den ersten bemannten Marsflug beinahe schon traditionsgemäß immer weiter in die Zukunft hinein verschieben ...

 

 

 

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Leser-Kommentare (12) zu diesem Artikel

15.12.2014 | 18:34

Gernot-Michael Krüger

Also, lieber Herr v.Rétyi, Sie haben "als Kind wie gebannt auf den Fernseher gestarrt und in jenen Momenten nur gespürt, einem Jahrtausendereignis beizuwohnen" und "im Endergebnis hatte die nähere Beschäftigung mit den Gegenargumenten lediglich einen Effekt: sie führte...dazu, noch überzeugter davon zu sein, dass Menschen damals tatsächlich auf dem Mond gelandet sind!" (Seiten 9-10 "Schwarz auf weiß") Ich habe keinen Fernseher, aber ich hatte vor...

Also, lieber Herr v.Rétyi, Sie haben "als Kind wie gebannt auf den Fernseher gestarrt und in jenen Momenten nur gespürt, einem Jahrtausendereignis beizuwohnen" und "im Endergebnis hatte die nähere Beschäftigung mit den Gegenargumenten lediglich einen Effekt: sie führte...dazu, noch überzeugter davon zu sein, dass Menschen damals tatsächlich auf dem Mond gelandet sind!" (Seiten 9-10 "Schwarz auf weiß") Ich habe keinen Fernseher, aber ich hatte vor Jahren die Gegenargumente von Ihrem Kollegen Wisnewski gelesen. Eins davon war der van Allen-Gürtel. Das hatte mich überzeugt, dass Menschen damals tatsächlich NICHT auf dem Mond gelandet sind! Wie ist das denn nun im Hinblick auf die neuen Forschungsergebnisse?


05.12.2014 | 17:53

Bali

die Argumente, dass die bemannte Mondfahrt in den 60igern ein fake war verdichten sich mit den von gemachten Rückschlüssen. In Bonn habe ich im Haus der Geschichte den Astronautenanzug betrachtet, der bei diesen berühmten Flug angeblich getragen worden war. Der war echt süß aus einer Art weißem Leder von einer Näherin genäht, also handgenäht. Wenn man diesen Anzug sieht, dann ist klar, dass der nichts aushält. Hatte mich schön gewundert, dass der chinesische Hase oder wie das...

die Argumente, dass die bemannte Mondfahrt in den 60igern ein fake war verdichten sich mit den von gemachten Rückschlüssen. In Bonn habe ich im Haus der Geschichte den Astronautenanzug betrachtet, der bei diesen berühmten Flug angeblich getragen worden war. Der war echt süß aus einer Art weißem Leder von einer Näherin genäht, also handgenäht. Wenn man diesen Anzug sieht, dann ist klar, dass der nichts aushält. Hatte mich schön gewundert, dass der chinesische Hase oder wie das Raumfahrzeug hieß, den Temperaturen nicht standhielt, aber unsere Astronauten schon.


05.12.2014 | 09:01

Hans-Joachim

Die meisten von uns, die dieses Thema interessiert, haben leider nur das gelehrte Schulwissen, und versuchen dieses Wissen mit den von den Medien geschürten Ängsten, als Lösungsansatz zu interpretieren. Die Sonne mit ihren bekannten elektromagnetischen Kräften die in Wechselwirkung mit ihren Planeten stehen und diese in ihren Umlaufbahnen um die Sonne hält und eigene Umdrehungen der Planeten erzeugt , ist immer noch die große Unbekannte Tatsache, die sich zwar theoretisch im...

Die meisten von uns, die dieses Thema interessiert, haben leider nur das gelehrte Schulwissen, und versuchen dieses Wissen mit den von den Medien geschürten Ängsten, als Lösungsansatz zu interpretieren. Die Sonne mit ihren bekannten elektromagnetischen Kräften die in Wechselwirkung mit ihren Planeten stehen und diese in ihren Umlaufbahnen um die Sonne hält und eigene Umdrehungen der Planeten erzeugt , ist immer noch die große Unbekannte Tatsache, die sich zwar theoretisch im Ansatz erklären lässt, aber nicht die wissenschaftliche Vollkommenheit besitzt. Da noch so viele Fragen im Bezug auf diese Wechselwirkungen offen sind, ist es von Vorteil von diesen Ängsten der Polsprung (Sintflut) und CO2 (Anteil in der Luft sage und schreibe 0,04%) Erwärmung (Höllenfeuer) Abstand zu nehmen, Angst lähmt unseren Verstand und lässt uns gefügig machen. Das ist meiner Meinung auch die Botschaft der Medien an die Unter-Tanen. Also, wenn die Sonne unser Magnetfeld umpolt oder einen größeren Asteroiden auf unseren Planeten lenkt, dann haben wir immer noch keine Möglichkeit als Menscheit gesehen, dies zu verhindern. Um der Menschheit ein Überleben zu garantieren, bedarf es einer globalen, wissenschaftlichen Zusammenarbeit, die nur mit Hilfe, des von den Staaten geführten Geldsystemes, das dessen Finanzierung ermöglicht. Der überschuldete Westen mit seinem Raubtierkapitalismus Finanzsystem, kann es auf jeden Fall nicht.


05.12.2014 | 08:41

Paschasius

Zu dem Erdmagnetfeld habe ich die Frage: Was geschieht wenn die Polumkehrung kommt? Wie schnell könnte es zu einem Stillstand der Erdumdrehung und zu einem Wechsel der Drehrichtung kommen und sich das wieder normalisiert. Ich komme darauf weil alle Propheten davon sprechen und es so aussieht das es dazu kommt überfällig ist! Aber ich kann mir nicht vorstellen, das das in 3 Tagen geschieht.Darüber würde ich mehre fahren.


04.12.2014 | 22:36

Jabberwoqui

Wie bitte sind diese Erkenntnisse mit der "Tatsache" verträglich, daß mehrere Menschen in den späten 60er und frühen 70er Jahren Ausflüge zum Mond überlebt haben? Kann mir das jemand logisch nachvollziehbar erklären?


04.12.2014 | 21:24

Christina Götze

Ich weiß. daß es ganz am Thema vorbei geht. aber ich habe in diesem Herbst mehrfach beobachtet, daß die Kraniche in nordöstliche Richtung gezogen sind!!!! Hat das was zu bedeuten u. hat jemand Ähnliches beobachtet??? Würde mich echt mal interessieren

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