Wie funktioniert der Strahlungsgürtel der Erde – und warum könnten Satellitenmessungen ihn bislang falsch erklärt haben?

Rund um die Erde liegen riesige Zonen voller energiereicher Teilchen, die Satelliten beschädigen und ihre Elektronik stören können. Betroffen sind damit Systeme, von denen Navigation, Wettervorhersagen, Kommunikation und Erdbeobachtung abhängen. Seit Jahrzehnten versuchen Physiker deshalb zu verstehen, wie sich diese Teilchen im Strahlungsgürtel bewegen.

Eine neue Analyse stellt nun eine Grundannahme infrage. Was in Satellitendaten wie zufällige Streuung aussieht, könnte teilweise aus einer geordneten Bewegung entstehen. Werden beide Prozesse verwechselt, können Modelle die Strahlenbelastung falsch einschätzen – und damit auch, wie gut Satelliten auf gefährliche Teilchenströme vorbereitet sind.

Forscher der University of Birmingham und der Czech Academy of Sciences waren an einer internationalen Untersuchung beteiligt. Die Arbeit erschien im Fachjournal Physical Review Research. Seit mehr als 60 Jahren erklären Fachleute viele Veränderungen in planetaren Strahlungsgürteln mit sogenannter Diffusion. Dabei verändern Teilchen ihre Verteilung durch zahlreiche zufällige Wechselwirkungen.

Im Strahlungsgürtel der Erde entstehen feine Teilchenstrukturen

Strahlungsgürtel bestehen aus energiereichen geladenen Teilchen, die Magnetfelder festhalten. Das Magnetfeld der Erde zwingt viele dieser Teilchen auf bestimmte Bahnen und hält sie dadurch über längere Zeit in diesen Regionen fest.

Rund um die Erde bilden sie große ringförmige Regionen. Solche Gürtel gibt es auch bei Jupiter und Saturn sowie beim Jupitermond Ganymed. Für die Raumfahrt sind sie relevant, weil energiereiche Teilchen Satellitenelektronik belasten, Kommunikation stören und Missionen gefährden können.

Dabei bewegen sich die eingefangenen Teilchen nicht alle gleich schnell. Lokale Ansammlungen driften durch das Magnetfeld und ziehen sich mit der Zeit auseinander. Benachbarte Teilchengruppen besitzen leicht unterschiedliche Driftgeschwindigkeiten. Aus einer zunächst kompakten Wolke entstehen dadurch immer feinere Strukturen. Physiker nennen diesen Prozess Phasenmischung. Zufällige Zusammenstöße oder eine Streuung durch elektromagnetische Wellen sind dafür nicht nötig.

Satelliten verlieren feine Teilchenmuster schon nach kurzer Zeit

Für eine Raumsonde entsteht daraus ein Messproblem. Während sie durch den Strahlungsgürtel fliegt, erfasst sie Teilchen aus Bereichen mit leicht unterschiedlichen Bewegungsfrequenzen. Je feiner deren räumliche Struktur wird, desto schwerer kann das Instrument sie voneinander unterscheiden. In den Daten wirkt die Verteilung schließlich glatt und ungeordnet – und damit ähnlich wie bei echter Diffusion.

Die Berechnungen ergeben, dass solche Strukturen nur wenige Driftperioden lang klar erkennbar bleiben können. Danach kann ihre ursprüngliche Ordnung in den Messdaten weitgehend verschwinden. Der Effekt kann laut der Analyse außerdem schneller auftreten als der bislang angenommene radiale Teilchentransport. Dadurch könnten berechnete Transportgeschwindigkeiten verzerrt und langfristige Vorhersagen über Teilchenflüsse ungenauer werden.

Geordnete Bewegung kann wie zufällige Streuung wirken

Oliver Allanson von der University of Birmingham verweist auf die lange Geschichte der bisherigen Interpretation. „Seit mehr als 60 Jahren interpretieren Wissenschaftler Beobachtungen der Strahlungsgürtel als Hinweis darauf, dass sich Teilchen zufällig und diffus im Weltraum ausbreiten“, sagt der Physiker. Die neuen Ergebnisse stellen nun infrage, ob sich aus einzelnen Messreihen immer eindeutig ableiten lässt, welcher physikalische Prozess dahintersteckt.

Eine Absage an die bisherige Erklärung ist damit nicht verbunden. Studienleiter Adnane Osmane von der Universität Helsinki erklärt: „Die wichtigste Botschaft ist nicht, dass Diffusion nicht stattfindet, sondern dass Beobachtungen allein möglicherweise nicht immer zwischen diffusivem und nicht-diffusivem Transport unterscheiden können.“ Zwei unterschiedliche Vorgänge können also nahezu dasselbe Messmuster erzeugen.

Mehrere Satelliten könnten das Rätsel besser auflösen

Miroslav Hanzelka von der Czech Academy of Sciences sieht darin eine Schwäche vieler bisherigen Missionen. Ein einzelner Satellit kann nur schwer unterscheiden, ob sich eine Teilchenpopulation tatsächlich mit der Zeit verändert oder ob die Sonde lediglich verschiedene räumliche Strukturen durchquert. Sehr unterschiedliche Prozesse können dadurch fast identische Signale hinterlassen.

Abhilfe könnten Missionen mit mehreren Satelliten schaffen. Beobachten mehrere Raumsonden dieselbe Teilchenpopulation gleichzeitig an verschiedenen Orten, lassen sich räumliche Unterschiede besser von zeitlichen Veränderungen trennen. Die Autoren empfehlen deshalb, frühere Interpretationen von Diffusion genauer zu prüfen. Das betrifft nicht allein den Strahlungsgürtel der Erde, sondern auch Strahlungsgürtel anderer Planeten und sogar solche um ultrakühle Braune Zwerge.

Kurz zusammengefasst:

Satellitendaten können geordnete Teilchenbewegungen im Strahlungsgürtel der Erde so erscheinen lassen, als würden sich die Teilchen zufällig verteilen.
Der Grund ist die sogenannte Phasenmischung: Unterschiedlich schnelle Teilchen bilden immer feinere Strukturen, die einzelne Satelliten irgendwann nicht mehr auflösen können.
Die Forscher betonen, dass Diffusion weiterhin vorkommt – aus einzelnen Satellitenmessungen lässt sich aber nicht immer eindeutig erkennen, welcher Prozess tatsächlich dahintersteckt.

Übrigens: Während Satelliten nahe der Erde Teilchenbewegungen womöglich anders erscheinen lassen, sammelt New Horizons Milliarden Kilometer entfernt weiter Daten zu Staub und Strahlung. Die Messungen könnten zeigen, dass der Kuipergürtel größer ist als bisher angenommen. Mehr dazu in unserem Artikel.