Van-Allen-Gürtel: Ein Bollwerk gegen kosmische Teilchen

Van-Allen-Gürtel: eine Reise ins Herz der Strahlung

Die Entdeckung eines dritten Strahlungsgürtels

Die Van-Allen-Zwillingssonden der NASA, gestartet am 30. August 2012, enthüllten einen neuen Strahlungsgürtel um die Erde. Die Mission entdeckte einen bis dahin unbekannten dritten Strahlungsgürtel innerhalb dieser gefährlichen Regionen des Weltraums. Die Van-Allen-Sonden bestehen aus zwei identischen Satelliten, die im Raum geschickt getrennt sind, um Ereignisse besser zu erkennen, diese Region zu kartieren, hochenergetische Teilchen zu katalogisieren und die magnetischen Wellen zu verfolgen, die aus den Gürteln entweichen.

Die Magnetosphäre und die Arbeiten von James Van Allen

Die Magnetosphäre wurde 1958 von James Van Allen (1914-2006) anhand von Messungen beschrieben, die mit Geigerzählern an Bord des ersten amerikanischen Satelliten Explorer 1 durchgeführt wurden. In dieser Zeit wurde jene Raumregion entdeckt, die man Van-Allen-Gürtel nennt. Die Daten von Explorer 1, ergänzt durch die von Explorer 3, ermöglichten den Nachweis der Existenz von Strahlungsgürteln um die Erde; das Ergebnis wurde von Van Allen und seinen Mitarbeitern 1958 in der Zeitschrift Jet Propulsion veröffentlicht.

Struktur und Dynamik der Gürtel

Der Van-Allen-Gürtel, der von Sonnenstürmen beeinflusst wird, besteht aus zwei unterschiedlichen Strahlungsbereichen mit verschiedenen Eigenschaften. Der erste, der Erde am nächsten gelegene, befindet sich zwischen 700 und 10.000 km Höhe und besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen. Der zweite, der größere äußere Bereich, liegt zwischen 13.000 und 65.000 km Höhe und besteht aus hochenergetischen Elektronen. Diese beiden Gürtel sind durch eine Region getrennt, die "Slot" genannt wird und im Allgemeinen frei von energetischen Teilchen ist.

Diese Entdeckung zeigt den dynamischen und veränderlichen Charakter der Strahlungsgürtel unseres Planeten. Der 2012 beobachtete dritte Gürtel blieb vier Wochen bestehen und verschwand dann, vernichtet durch eine interplanetare Schockwelle — die des Sonnenausbruchs vom 31. August 2012 — so Daniel Baker, leitender Forscher des REPT-Instruments an der University of Colorado. Die Ergebnisse wurden am 28. Februar 2013 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Ursprung der eingefangenen Teilchen: Einfangmechanismen

Der magnetische Einfang

Die geladenen Teilchen, die die Van-Allen-Gürtel bevölkern, befinden sich nicht zufällig dort. Sie werden vom Erdmagnetfeld eingefangen, das wie ein riesiger Dipolmagnet wirkt. Ein geladenes Teilchen, das in dieses Feld eindringt, beschreibt eine schraubenförmige Bewegung um die Magnetfeldlinien: Es spiralt entlang einer Linie und driftet dabei longitudinal um die Erde. An den Polen, wo die Feldlinien konvergieren, erfährt das Teilchen einen magnetischen Spiegel-Effekt: Es wird zum Äquator zurückreflektiert und pendelt so zwischen den beiden Hemisphären. Dieser Einschlussmechanismus erklärt die Beständigkeit der Gürtel über Zeiträume, die Jahre erreichen können.

Der CRAND-Mechanismus und der innere Gürtel

Der Ursprung der hochenergetischen Protonen des inneren Gürtels hat Physiker lange beschäftigt. Bereits in den 1960er Jahren wurde vorgeschlagen, dass diese Protonen aus dem Prozess des Zerfalls von Albedo-Neutronen durch kosmische Strahlung (CRAND, für Cosmic Ray Albedo Neutron Decay) stammen. Bei diesem Mechanismus dringen galaktische kosmische Strahlen in die obere Erdatmosphäre ein und kollidieren mit neutralen Atomen, wodurch Neutronen entstehen. Diese Neutronen sind instabil und zerfallen in Protonen und Elektronen. Die Protonen, die den größten Teil der kinetischen Energie des Neutrons behalten, werden dann vom Erdmagnetfeld eingefangen und speisen den inneren Gürtel.

Im Jahr 2017 veröffentlichte ein von Xinlin Li geleitetes Team in der Zeitschrift Nature Messungen, die bestätigen, dass CRAND tatsächlich die Hauptquelle der relativistischen Elektronen nahe dem inneren Rand des inneren Gürtels ist und auch zu den Elektronen an anderen Stellen des inneren Gürtels beiträgt. Die im erdnahen Raum gemessene Neutronendichte — etwa \(2 \times 10^{-9}\) pro Kubikzentimeter — bestätigte die theoretischen Schätzungen. Für den äußeren Gürtel stammen die Elektronen hauptsächlich aus dem Sonnenwind und aus Plasma-Injektionen während geomagnetischer Stürme.

Südatlantische Anomalie

Das Erdmagnetfeld ist nicht vollkommen symmetrisch. Über dem Südatlantik schwächt sich das geomagnetische Feld in einer Region ab, die als Südatlantische Anomalie (SAA) bekannt ist, wodurch der innere Gürtel bis auf etwa 200 km Höhe absinken kann. Satelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen, darunter die Internationale Raumstation (ISS), durchqueren regelmäßig diese Anomalie und erfahren dort überdurchschnittliche Strahlungswerte. Die ISS mit ihrer Bahnneigung von 51,6° benötigt eine zusätzliche Abschirmung, um ihre elektronischen Geräte und ihre Insassen zu schützen. Die SAA ist somit ein wesentlicher Faktor bei der Planung von Missionen im niedrigen Erdorbit.

Weltraumwetter und technologische Risiken

Auswirkungen auf Satelliten und elektronische Systeme

Die energetischen Teilchen der Van-Allen-Gürtel stellen ein erhebliches Risiko für Satelliten und Raumfahrtsysteme dar. Die relativistischen Elektronen des äußeren Gürtels können Abschirmungen durchdringen und elektronische Ausfälle, Störungen an Solarmodulen und interne elektrische Entladungen verursachen. Telekommunikationssatelliten in geostationärer Umlaufbahn, die sich nahe dem äußeren Rand des Gürtels bewegen, sind besonders exponiert. GPS-Satelliten, Weltraumobservatorien wie Hubble und Sonden auf dem Weg zu höheren Umlaufbahnen müssen die Gürtel mehrfach durchqueren und sammeln dabei Strahlendosen an, die ihre Bauteile im Laufe der Jahre beeinträchtigen können.

Der Sonnensturm vom Mai 2024

Im Mai 2024 traf der größte Sonnensturm seit zwei Jahrzehnten die Erde. Mehrere Tage lang bombardierten aufeinanderfolgende Wellen hochenergetischer geladener Teilchen von der Sonne die Erdmagnetosphäre, erzeugten außergewöhnliche Polarlichter und störten zeitweise einige GPS-Kommunikationen. Dank des NASA-CubeSat CIRBE (Colorado Inner Radiation Belt Experiment) entdeckten Wissenschaftler, dass dieser Sturm zwei neue temporäre Strahlungsgürtel erzeugt hatte, die zwischen den beiden permanenten Van-Allen-Gürteln eingekeilt waren.

Einer dieser neuen Gürtel bestand hauptsächlich aus Elektronen, während der andere, innere, eine Population von energetischen Protonen enthielt — eine nie zuvor beobachtete Zusammensetzung. Der Protonengürtel, der sich in einer magnetisch stabileren Region befand, blieb deutlich länger bestehen als frühere temporäre Elektronengürtel. Die Ergebnisse, veröffentlicht am 6. Februar 2025 im Journal of Geophysical Research: Space Physics, unterstreichen die Bedeutung der Überwachung der Gürtel, um Satelliten zu schützen, die in die geostationäre Umlaufbahn gestartet werden und sie mehrfach durchqueren müssen, bevor sie ihre endgültige Position erreichen.

Van-Allen-Gürtel: eine Herausforderung für die Raumfahrt

Die Umlaufbahnen der Sonden und das REPT-Instrument

Die beiden Van-Allen-Sonden hatten ungefähr dieselbe exzentrische Umlaufbahn und deckten die gesamte Strahlungszone der Gürtel ab. Das an Bord der Sonden befindliche Instrument REPT (Relativistic Electron Proton Telescope) enthüllte eine dritte, vom Van-Allen-Gürtel verschiedene Struktur mit einer zweiten leeren Zone des Raums zwischen den beiden äußeren Gürteln. Die vom ersten Doppelraumschiff zur Analyse des Van-Allen-Gürtels gesammelten Daten wurden am 28. Februar 2013 in der Zeitschrift Science veröffentlicht.

Die beteiligten wissenschaftlichen Einrichtungen

Die Wissenschaftler beobachteten den dritten Gürtel vier Wochen lang, während eine starke Schockwelle die Magnetosphäre traf. Die Beobachtungen wurden von Forschern des LASP (Laboratory for Atmospheric and Space Physics), des Goddard Space Flight Center der NASA, des Los Alamos National Laboratory und des Instituts für Erdstudien der University of New Hampshire durchgeführt. Die Mission Van Allen Probes war fast sieben Jahre in Betrieb, weit über ihre ursprünglich geplante Dauer von zwei Jahren hinaus, bevor sie 2019 außer Betrieb genommen wurde.

Die Van-Allen-Gürtel: zwischen Schutz und Bedrohung

Der Sonnenwind und die Magnetosphäre

Der größte Teil der Sonnenenergie wird in Form elektromagnetischer Strahlung in den Weltraum abgegeben, hauptsächlich als sichtbares Licht, doch die Sonne emittiert auch einen Fluss geladener Teilchen, den sogenannten Sonnenwind. Dieser Sonnenwind wechselwirkt stark mit der Magnetosphäre der Planeten und trägt dazu bei, den interplanetaren Raum zu reinigen, indem er Gase und Staub aus dem Sonnensystem hinausbefördert.

Der magnetische Schild der Erde

Sonnenausbrüche senden permanent hochenergetische Teilchen in den Weltraum, und gelegentlich erreicht eine Blase aus radioaktivem und überhitztem Plasma die Erde. Alle von der Sonne in Richtung Erde emittierten energetischen Teilchen bewegen sich mit großer Geschwindigkeit und werden ständig zu den Polen der Magnetosphäre zurückgeführt. So trifft der Sonnenwind niemals direkt auf die Erdoberfläche.

Diese magnetische Blase schützt uns vor der Sonnenstrahlung. Es ist die Magnetosphäre und nicht die Van-Allen-Gürtel selbst, die den Schutz der Erde gewährleistet: Die Gürtel sind ihre Erscheinungsform, das Reservoir der eingefangenen Teilchen. Das Magnetfeld wirkt wie ein Schirm, der den elektrischen Strom des Sonnenwinds ablenkt, der dann außerhalb der Magnetosphäre fließt. Eine längere Exposition gegenüber den dichtesten Flüssen des Van-Allen-Strahlungsgürtels kann die zulässigen Dosisgrenzen für den Menschen überschreiten.

Die Apollo-Astronauten angesichts der Strahlung

Nur wenige Menschen haben die Magnetosphäre durchquert, um sich der Sonnenstrahlung auszusetzen: Nur die Apollo-Astronauten, die zum Mond reisten, mussten den Van-Allen-Gürtel durchqueren. Die Apollo-Missionen folgten speziell berechneten Flugbahnen, um die Transitzeit in den intensivsten Zonen zu minimieren und den inneren Gürtel so weit wie möglich zu umgehen. Die Astronauten verbrachten insgesamt etwa eine Stunde in den am stärksten exponierten Regionen.

Laut den Borddosimetern lagen die für alle Apollo-Missionen registrierten Gesamtdosen zwischen 0,16 rad (Apollo 8) und 1,14 rad (Apollo 14) — also etwa 1,6 bis 11,4 Millisievert für die gesamte Mission, nicht nur für die Durchquerung der Gürtel. Zum Vergleich: Eine abdominale CT-Untersuchung liefert etwa 10 Millisievert, und der Jahresgrenzwert für Arbeitnehmer im Nuklearsektor in Frankreich liegt bei 20 Millisievert. Die Apollo-Kommandokapsel mit ihrem Rumpf aus Aluminium und Edelstahl bot ausreichenden Schutz, um diese Dosen weit unter den Schwellen unmittelbarer Gefahr zu halten.