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Teilchen der kosmischen Strahlung helfen, starke Gewitter zu untersuchen
Das GRAPES-3-Teleskop registriert Gewitter im Osten seines Blickfelds fast sechsmal häufiger als im Westen. Verantwortlich ist das Erdmagnetfeld, das je nach Richtung das Verhältnis positiver und negativer Myonen und damit die Empfindlichkeit des Detektors für elektrische Felder in Gewitterwolken verändert.
Mumbai (Indien). Gewitter können in ihrem Inneren elektrische Potenziale von mehr als einer Milliarde Volt aufbauen. Direkt zu messen ist das schwierig, weil Flugzeuge oder Ballons nur einen kleinen Teil einer schnell veränderlichen Gewitterwolke erfassen. Das GRAPES-3-Experiment in Ooty nutzt deshalb einen ungewöhnlichen Umweg und wertet Teilchen aus der kosmischen Strahlung aus.
Treffen energiereiche kosmische Teilchen auf die Atmosphäre, entstehen Kaskaden aus Sekundärteilchen, darunter Myonen. Diese geladenen Teilchen sind so durchdringend, dass viele von ihnen den Boden erreichen. Das 560 Quadratmeter große GRAPES-3-Muonteleskop registriert rund vier Milliarden Myonen pro Tag und kann dadurch selbst kleine Änderungen ihres Flusses erfassen.
Forscher des Tata Institute of Fundamental Research (TIFR) um Hari Haran Balakrishnan haben nun 487 Gewitterereignisse ausgewertet, die das Teleskop zwischen April 2011 und Dezember 2020 registriert hat. Dabei ging es um ein auffälliges Muster in den Messdaten und um die Frage, warum die Anlage Gewitter je nach Himmelsrichtung sehr unterschiedlich empfindlich erkennt.
In einer Gewitterwolke beschleunigt ein elektrisches Feld positive und negative Myonen in entgegengesetzter Richtung. Weil in der Atmosphäre mehr positive als negative Myonen vorkommen, heben sich diese Effekte nicht vollständig auf. Dadurch verändert ein Gewitter den gesamten Myonenfluss am Boden geringfügig, und aus dieser Änderung lässt sich auf das elektrische Potenzial in der Wolke schließen.
„Wenn die Natur im gesamten Sichtfeld gleich viele positive und negative Myonen liefern würde, könnten wir das Gewitterphänomen mit dem derzeitigen Aufbau nicht beobachten“, erklärt Hari Haran Balakrishnan.
Für diese Messidee ist der kontinuierliche Teilchenstrom besonders nützlich, weil GRAPES-3 die Atmosphäre vom Boden aus dauerhaft beobachten kann und kein Messgerät direkt in die Gewitterwolke bringen muss. In einer früheren Auswertung hatte das Team mit dieser Methode bereits ein Potenzial von 1,3 Milliarden Volt für ein Gewitter abgeleitet.
„Myonen sind für solche Untersuchungen tatsächlich ein ideales Geschenk. Sie sind wie ein elektrischer Strom, der durch die Atmosphäre fließt“, sagt Sunil Gupta vom Tata Institute of Fundamental Research (TIFR).
Die zehnjährige Messreihe zeigte jedoch eine starke Richtungsabhängigkeit. 81,5 Prozent der registrierten Gewitterereignisse entfielen auf die östliche Gruppe des Blickfelds, aber nur 13,7 Prozent auf die westliche, was einem Ost-West-Verhältnis von 5,9 zu 1 entspricht. Die Verteilung beschreibt damit vor allem die Empfindlichkeit des Detektors und nicht eine entsprechend einseitige Häufigkeit der Gewitter selbst.
Den entscheidenden Hinweis liefert das Erdmagnetfeld, denn primäre kosmische Strahlung besteht überwiegend aus positiv geladenen Teilchen. Ihre Bahnen werden im Magnetfeld der Erde je nach Einfallsrichtung unterschiedlich stark gefiltert, wodurch sich auch das Verhältnis positiver zu negativer Myonen am Boden mit der Himmelsrichtung ändert.