Was bedeuten diese seltsamen Geräusche aus der Magnetosphäre der Erde?

Das Magnetfeld der Erde ist von einer „Symphonie“ erfüllt, die wir nicht hören können. Ultraniedrigfrequente Radiowellen bilden eine berauschende Oper, die die dramatische und komplexe Beziehung zwischen der Erde und der Sonne darstellt.

Jetzt wandelt ein neues, von der NASA finanziertes Citizen-Science-Projekt namens „Heliophysics Audified: Resonances in Plasmas“ (HARP) diese ansonsten unhörbaren Schwankungen in verschiedene Geräusche wie Pfeifen, Knirschen und Zischen um. Das Projekt hat in ersten Tests bereits einige erstaunliche Entdeckungen gemacht, und Bürgerwissenschaftler können sich an der Reise zur Erforschung des Weltraums mithilfe von Schall beteiligen und die Bedeutung dieser kosmischen Schwingungen entschlüsseln, die uns helfen, das Lied von Sonne und Erde zu verstehen.

NASA-Enthusiasten

Hören Sie die Geräusche des Weltraums und helfen Sie mit, mehr über die Beziehung zwischen Sonne und Erde mit dem neuen HARP-Bürgerwissenschaftsprogramm der NASA zu erfahren. Videoquelle: NASA/Beth Anthony Untertitelproduktion: Wow @NASA Enthusiast

„Was mich am meisten begeistert, ist, dass Bürgerwissenschaftler an der Heliophysikforschung teilnehmen und durch Klanganalyse neue Entdeckungen machen können“, sagte Michael Hartinger, Sonnenphysiker am Space Science Institute in Colorado und leitender Forscher von HARP. „Wir brauchen ihre Hilfe, um die komplexen Muster in der Weltraumumgebung in Erdnähe zu verstehen.“

Die Magnetosphäre der Erde ist eine Blase aus Magnetfeld, die unseren Planeten umgibt und vor den meisten geladenen Teilchen schützt, die von der Sonne kommen. Wenn Sonnenpartikel jedoch auf die Magnetosphäre treffen, bringen sie die Magnetfeldlinien und das Plasma, die die Erde umgeben, dazu, wie die Saiten einer Harfe zu vibrieren und erzeugen dabei Wellen mit extrem niedriger Frequenz. In der obigen Animation strömen gelbe Sonnenwindpartikel von der Sonne oben links im Bild zur Erde rechts. Die Erde ist von Dutzenden magnetischer Feldlinien und einem roten, bogenförmigen schematischen Streifen umgeben, und Sonnenpartikel werden an der Peripherie blockiert. Innerhalb des Bogens befindet sich eine dünne blaue Wellenlinie. Bildnachweis: Martin Archer, Imperial College London/Emmanuel Massonson, UCLA/NASA

Der Raum zwischen Erde und Sonne ist kein vollständiges Vakuum, sondern mit geladenen Teilchen, sogenanntem Plasma, gefüllt. Dieses Plasma stammt von der Sonne und wird in einem stetigen Strom, dem Sonnenwind, von der Sonne ausgestoßen und gelegentlich bei Sonneneruptionen mit großer Kraft herausgeschleudert. Wenn diese Sonnenplasmen auf die Erde treffen, bringen sie die magnetischen Feldlinien und das Plasma um die Erde dazu, wie eine Harfe zu vibrieren und erzeugen dabei Wellen mit ultraniedriger Frequenz.

Im Jahr 2007 startete die NASA im Rahmen der THEMIS-Mission fünf Satelliten. Der Satellit THEMIS erstreckt sich über die gesamte Magnetosphäre und untersucht, wie Plasma und Energie, die sich durch die Erdumgebung bewegen, die verschiedenen Arten von Polarlichtern (Nord- und Südlichter) auslösen. Im Jahr 2010 wurden zwei Satelliten zur Erforschung der Mondumgebung abgestellt, während die anderen drei weiterhin die Magnetosphäre und Polarlichter der Erde erforschen. Auf diesem Bild sind fünf identische Themis-Satelliten in der Erdumlaufbahn zu sehen. Auf diesem Bild befindet sich ein Satellit vor der Erde, die übrigen vier dahinter. Fünf blaue Ringe um die Erde markieren ihre Umlaufbahnen, während das Polarlicht rund um den Nordpol der Erde entsteht. Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab

Im Jahr 2007 startete die NASA im Rahmen der Mission THEMIS (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms) fünf Satelliten, um durch die Magnetfeldharfe der Erde – ihre Magnetosphäre – zu fliegen. Seitdem sammelt der Satellit THEMIS eine Fülle von Informationen über Plasmafluktuationen in der Magnetosphäre der Erde.

Die Mission THEMIS untersucht, wie die Bewegung von Plasma und Energie in der Erdumgebung die verschiedenen Arten von Polarlichtern (Nord- und Südlichter) auslöst. Im Jahr 2010 wurden zwei Satelliten zur Erforschung der Mondumgebung abkommandiert, die anderen drei erforschen jedoch weiterhin die Magnetosphäre und die Polarlichter der Erde. Die drei Satelliten heißen THEMIS-A, THEMIS-D und THEMIS-E1.

Das Hauptziel der THEMIS-Mission besteht darin, die physikalischen Prozesse zu bestimmen, die Polarlicht-Substürme verursachen. Ein Polarlicht-Substurm ist ein Phänomen in der Magnetosphäre der Erde, das dazu führt, dass die Polarlichtaktivität in den hohen Breitengraden der Erde plötzlich heller und aktiver wird. Polarlicht-Substürme entstehen durch die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und dem Magnetfeld der Erde. Wenn der geladene Partikelstrom des Sonnenwindes mit dem Magnetfeld der Erde interagiert, kommt es im Schweif der Magnetosphäre zu einer Ansammlung und Freisetzung von Energie, was zur Entstehung von Polarlicht-Substürmen führt. Der Satellit THEMIS und bodengestützte Instrumente können diese Substürme gleichzeitig beobachten und so ihre Ursprünge und Entwicklung aufdecken.

„Themis kann die gesamte Magnetosphäre untersuchen und ist schon seit langer Zeit dort, sodass es eine Menge Daten gesammelt hat“, sagte Hartinger.

Diese Wellen sind wichtig für das Verständnis der Energieübertragung und -umwandlung zwischen Sonne und Erde. Allerdings sind die vom Satelliten THEMIS gemessenen Frequenzen zu niedrig, um vom menschlichen Ohr gehört zu werden. Deshalb erhöhte das HARP-Team ihre Frequenz und wandelte sie in Schallwellen um. Mithilfe eines vom Team entwickelten interaktiven Tools können Sie diese Wellen anhören und interessante Klangmerkmale herausfiltern, die Sie hören.

„Der Prozess, durch aufmerksames Zuhören neue Funktionen zu identifizieren, fühlt sich ein bisschen wie eine Schatzsuche an und ich freue mich, dass Menschen auf der ganzen Welt dies durch das HARP-Projekt erleben können“, sagte Robert Alexander von Auralab Technologies, ein Mitglied des HARP-Teams.

Dem Team zufolge können Menschen interessante Wellenmuster mit ihren Ohren besser erkennen als mit ihren Augen. Und sie sind sogar besser als Computer darin, die komplexen Muster zu identifizieren, die bei extremen Sonnenereignissen auftreten. „Das menschliche Gehör ist eine unglaublich mächtige Fähigkeit“, sagte Martin Archer vom Imperial College London, ein Mitglied des HARP-Teams. „Wir sind im Grunde von Geburt an darauf trainiert, unterschiedliche Klangmuster zu erkennen und unterschiedliche Schallquellen herauszufiltern. Wir sind von Natur aus in der Lage, ziemlich erstaunliche Analysen durchzuführen und übertreffen dabei sogar einige der fortschrittlichsten Computeralgorithmen.“

Am 24. März 2023 hat eine All-Sky-Kamera grüne Polarlichter aufgenommen, die am kanadischen Nachthimmel tanzen. Wissenschaftler verglichen Merkmale der Polarlichter mit Beobachtungen der THEMIS-Mission der NASA und fanden heraus, dass die wirbelnden und zitternden Muster der Polarlichter in direktem Zusammenhang mit Plasmawellen in der Nähe der Erde stehen.

Bildquelle: University of Calgary, Kanada

Das HARP-Projekt wurde von einem früheren Sonifikationsprojekt unter der Leitung von Archer namens MUSICS inspiriert, was für „Magnetospheric Undulations Sonified Incorporating Citizen Scientists“ steht. Als Archer Highschool-Schüler in London einlud, sich sonifizierte Daten (in Ton umgewandelte Messungen) eines Satelliten der National Oceanic and Atmospheric Association (NOAA) anzuhören, entdeckten sie ein neues Plasmawellenmuster, das mit Sonnenstürmen in Zusammenhang steht.

„Highschool-Schüler in London konnten in den Geräuschen ein komplexes, aber wiederholbares Muster erkennen, das einem automatisierten Algorithmus entgangen war“, sagte Hartinger. „HARP wird diese Arbeit auf die nächste Ebene bringen, indem es einen viel größeren Datensatz aus der THEMIS-Mission der NASA und ein viel größeres Online-Publikum nutzt.“

Das HARP-Team ist der Ansicht, dass es von Vorteil ist, wenn den Stimmen eine breite und vielfältige Gruppe zuhört. „Jeder hört die Welt anders“, erklärt Emmanuel Masongsong von der UCLA, Mitglied des HARP-Teams und Teilnehmer der THEMIS-Mission der NASA. „Jeder Teilnehmer reagiert individuell auf Schwingungen im Raum. Was dem einen entgeht, kann die Aufmerksamkeit eines anderen erregen. Wir hoffen, dass die Teilnehmer Dinge entdecken, an die wir nie gedacht haben oder die Computeralgorithmen nicht erkennen konnten.“

Auf der Website des HARP-Projekts können Sie Weltraumgeräusche von verschiedenen Satelliten zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten hören und diese klassifizieren, markieren und kommentieren. Sie können außerdem über eine interaktive Karte die Geräusche auswählen, die Sie hören möchten, oder über einen Kalender Geräusche an verschiedenen Daten anzeigen. Sie können sogar Ihre eigene Klangsammlung erstellen und Ihre Ergebnisse mit anderen Bürgerwissenschaftlern teilen.

Sie können dabei helfen, bestimmte Klangmuster wie Resonanzen oder Geräusche zu identifizieren und herauszufinden, in welchem ​​Zusammenhang diese mit der Sonnenaktivität oder Veränderungen in der Umwelt der Erde stehen. Sie können auch dabei helfen, einige seltene oder unbekannte Klangphänomene zu entdecken und Ihre eigene Erklärung oder Hypothese vorschlagen.

Erste Untersuchungen mit HARP haben unerwartete Merkmale zutage gefördert, beispielsweise ein Muster, das das Projektteam als „umgekehrte Harfe“ bezeichnet, bei der sich die Frequenz in die entgegengesetzte Richtung ändert als von den Wissenschaftlern erwartet. „Es ist wirklich aufregend, dass HARP möglicherweise Dinge entdeckt, die wir nicht erwartet haben“, sagte Archer.

HARP kann auch Einblicke in Phänomene geben, auf die andere NASA-Bürgerwissenschaftler stoßen, wie etwa die Geräusche, die von Funkamateuren gehört werden, die am HamSCI-Projekt teilnehmen, oder die wellenförmigen Polarlichter, die im Rahmen des Aurorasaurus-Projekts untersucht wurden.

„Die Datensonifizierung bietet der Menschheit die Möglichkeit, die Musik des Universums zu genießen“, sagte Alexander. „Die Geräusche, die wir hören, sind einfach unerwartet und für mich ist es das Zweitbeste, was man machen kann, wenn man einen Raumanzug trägt und im Weltraum spazieren geht.“