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Sonnensturm beschleunigte energiereiche Elektronen ungewöhnlich nahe an der Erde
Millionen Elektronenvolt energiereiche Teilchen sollten eine bestimmte Grenze im Erdmagnetfeld kaum überwinden können. Beim starken Sonnensturm vom Mai 2024 wurden solche Elektronen jedoch ungewöhnlich nahe an der Erde gemessen. Neue Analysen zeigen, dass sie ihre enorme Energie offenbar vor Ort gewannen. Ein Zusammenspiel aus dünnem Plasma und elektromagnetischen Wellen erklärt, weshalb die vermeintliche Barriere zeitweise versagte.
Nagoya (Japan). Das Erdmagnetfeld hält geladene Teilchen in zwei ringförmigen Zonen fest, den Van-Allen-Strahlungsgürteln. Darunter sind Elektronen, die nahezu Lichtgeschwindigkeit erreichen und empfindliche Elektronik auf Satelliten beschädigen können.
Für besonders energiereiche Elektronen schien lange eine innere Grenze zu gelten. Etwa drei Erdradien vom Erdmittelpunkt entfernt, entsprechend rund 12.000 Kilometern Höhe, bricht ihre Häufigkeit normalerweise stark ein. Weiter innen sind sie gewöhnlich kaum anzutreffen, weshalb Forscher von einer „undurchdringlichen Barriere“ sprachen.
Beim außergewöhnlich heftigen Sonnensturm im Mai 2024 veränderten sich diese Verhältnisse. Forscher der Nagoya University (NU) um Prof. Yoshizumi Miyoshi haben dafür Beobachtungen des japanischen Forschungssatelliten Arase ausgewertet. Der Satellit erfasste Elektronen, Magnetfelder, Plasmawellen und die Dichte geladener Teilchen während des Sturms und seiner Erholungsphase.
„Eine der zentralen Fragen war, wie diese hochenergetischen Elektronen innerhalb der Barriere auftauchten. Wurden sie aus dem äußeren Strahlengürtel nach innen transportiert oder direkt in dieser Region beschleunigt?“, erklärt Prof. Yoshizumi Miyoshi.
Arase registrierte Elektronen mit Energien von mehr als drei Megaelektronenvolt innerhalb der bisherigen Grenze. Entscheidend war jedoch nicht allein ihre Anwesenheit, sondern wie sich ihre Verteilung während der Erholungsphase des Sturms veränderte.
Die Wissenschaftler untersuchten dafür die sogenannte Phasenraumdichte. Diese Größe beschreibt, wie viele Elektronen unter vergleichbaren Bewegungsbedingungen an verschiedenen Orten vorhanden sind. Nahe der bisherigen Grenze entstand ein lokales Maximum, das mit der Zeit immer stärker wurde.
Wären die Teilchen lediglich von außen nach innen gewandert, wäre ein solches wachsendes Maximum dort nicht zu erwarten. Die Beobachtungen liefern daher deutliche Hinweise auf eine Beschleunigung vor Ort. Anschließend breiteten sich die energiereichen Elektronen sowohl zur Erde hin als auch nach außen aus.
Als wahrscheinlichen Antrieb identifizierte das Team sogenannte Choruswellen, natürliche elektromagnetische Wellen im Erdmagnetfeld. Sie können Energie auf Elektronen übertragen, wenn ihre Schwingungen mit deren Bewegung um die Magnetfeldlinien in Resonanz geraten. Arase erfasste solche intensiven Wellen ungefähr dort und zu der Zeit, als die energiereichen Elektronen zunahmen.
Der Sonnensturm hatte zugleich die Plasmasphäre weit nach innen zurückgedrängt. Diese Region enthält normalerweise vergleichsweise kühles, dichtes Plasma. Weil nun wesentlich weniger geladene Teilchen vorhanden waren, konnten sich Bedingungen einstellen, unter denen Choruswellen auch innerhalb der bisherigen Barriere entstehen und Elektronen besonders effizient beschleunigen.