@Spacecraft: Vorsicht! Blitze auf der Erde und der „Killer-Elektronenregen“ im Weltall

Autor: Huang Xianghong Duan Yuechu

In den letzten Jahren haben Wissenschaftler bahnbrechende neue Entdeckungen über die Wechselwirkung zwischen dem Wetter auf der Erde und der Weltraumumgebung gemacht. Eine in der Ausgabe des Magazins Scientific American vom 2. Dezember 2024 veröffentlichte Studie zeigt, wie Blitzeinschläge in der Erdatmosphäre in erdnahen Umlaufbahnen einen „Killer-Elektronenregen“ mit hoher Energie auslösen können. Diese Entdeckung widerlegt die bisherige Annahme der Wissenschaftler, dass Elektronen mit solch hoher Energie nur im entfernten äußeren Strahlungsgürtel der Erde vorkommen.

Mit „Killerelektronen“ sind hochenergetische Elektronen gemeint, die sich in den Strahlungsgürteln der Erde befinden. Sie verfügen über genügend Energie, um eine ernsthafte Bedrohung für Raumfahrzeuge darzustellen. Diese Elektronen befinden sich normalerweise im Van-Allen-Strahlungsgürtel und können in die Oberflächenmaterialien des Raumfahrzeugs eindringen, was zu Materialzersetzung führt, elektronische Geräte beschädigt und sogar Einzelteilcheneffekte auslöst und somit den normalen Betrieb des Raumfahrzeugs beeinträchtigt.

„Diese hochenergetischen Partikel sind sowohl für Raumfahrzeuge als auch für Menschen im Weltraum schädlich“, sagte Lauren Bloom, Astrophysikerin an der University of Colorado Boulder. „Wenn wir wissen, wann hochenergetische Elektronen im inneren Strahlungsgürtel auftreten, können wir Maßnahmen ergreifen, um Schäden zu vermeiden.“

Max Feinland, der Hauptautor der Studie, analysierte Daten der SAMPEX-Mission der NASA und entdeckte dabei eine Anomalie: einen rapiden Anstieg der Niederschläge hochenergetischer Elektronen zwischen 1996 und 2006. Weitere Untersuchungen zeigten, dass diese Niederschläge hochenergetischer Elektronen eng mit der Blitzaktivität in der Erdatmosphäre zusammenhängen. Die Forscher verglichen die Mikroburst-Daten mit Daten des National Lightning Detection Network und stellten fest, dass die Bursts im inneren Strahlungsgürtel tatsächlich mit Blitzaktivität zusammenfielen. Durch Blitze freigesetzte elektromagnetische Wellen steigen von der Atmosphäre zu den magnetischen Feldlinien der Erde auf und gelangen in die innere Strahlungszone, wo ihre Energie ausreicht, um hochenergetische Elektronen aus der Magnetfeldbegrenzung herauszuschlagen.

Steven Morley, ein Weltraumwetterforscher am Los Alamos National Laboratory, sagte, der Befund sei äußerst überzeugend, da er eine Verbindung zwischen Blitzaktivität und der Abscheidung hochenergetischer Elektronen im inneren Strahlungsgürtel herstelle. Aufgrund begrenzter Daten besteht in diesem Forschungsbereich jedoch noch viel Raum für weitere Erkundungen.

Bloom betonte, dass die Ergebnisse Alarmglocken hinsichtlich der engen Verbindung zwischen dem Wetter auf der Erde und der Weltraumumgebung läuten lassen. Dieser Zusammenhang könnte Auswirkungen auf die Ozonschicht, die Chemie der Atmosphäre und sogar das Klima haben. „Wir können nicht nur die Dynamik der Sonne zur Erde und die Strahlungsgürtel untersuchen, wir müssen auch unsere eigene Atmosphäre und die Wettersysteme an der Erdoberfläche verstehen“, sagte sie.

Tatsächlich hat der Zusammenhang zwischen dem Wetter auf der Erde und der Weltraumumgebung schon seit langem die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen. Phänomene wie Sonnenstürme und geomagnetische Stürme werden das Wetter auf der Erde beeinflussen. Diese Studie ergab, dass Blitzaktivität in der Erdatmosphäre auch die Weltraumumgebung beeinflussen kann, was diese Wechselwirkung weiter belegt.

Um mit den Auswirkungen dieser Wechselwirkung besser zurechtzukommen, haben die Konstrukteure von Raumfahrzeugen eine Reihe von Maßnahmen ergriffen. Sie verwenden strahlungsbeständige Materialien und Verfahren zur Herstellung von Raumfahrzeugkomponenten, verwenden Abschirmungen für kritische elektronische Teile, um die Strahlenbelastung zu verringern, entwickeln redundante Systeme, um die Betriebsfähigkeit des Raumfahrzeugs aufrechtzuerhalten, und führen regelmäßige Wartungsarbeiten und Inspektionen durch, um auf Strahlenschäden zu achten.

Kurz gesagt: Das Phänomen des „Killer-Elektronenregens“ im Weltraum, der durch Blitze auf der Erde verursacht wird, offenbart nicht nur die enge Verbindung zwischen dem Wetter auf der Erde und der Weltraumumgebung, sondern liefert auch neue Ideen für die Weltraumumgebungsforschung meines Landes und die Wettervorhersage auf der Erde. In der zukünftigen wissenschaftlichen Forschung werden die Wissenschaftler dieses Gebiet weiterhin intensiv erforschen und größere Beiträge zur bemannten Raumfahrt und zum Schutz der Umwelt der Erde leisten. Durch diese Studien können wir Raumfahrzeuge nicht nur besser vor hochenergetischen Elektronen schützen, sondern auch ein tieferes Verständnis der komplexen Wechselwirkung zwischen dem Wettersystem der Erde und der Weltraumumgebung gewinnen.