Die Erde ist von den Van-Allen-Strahlungsgürteln umgeben, Regionen, die mit hochenergetischen Elektronen gefüllt sind. Diese Strahlungsgürtel gehörten zu den ersten Entdeckungen des Raumfahrtzeitalters und sind bis heute eines der faszinierendsten und herausforderndsten Phänomene der Weltraumwissenschaften. Gleichzeitig stellen sie ein ernstes Risiko für Satelliten und Menschen im Weltraum dar, da die energiereiche Strahlung elektronische Systeme beschädigen und die Gesundheit beeinträchtigen kann.
Die Strahlungsgürtel zeigen oft dramatische Ausfälle, insbesondere während geomagnetischer Stürme, bei denen die Anzahl der hochenergetischen Elektronen innerhalb sehr kurzer Zeiträume um mehrere Größenordnungen abnimmt. In manchen Fällen geschieht dies schneller, als ein Satellit eine vollständige Umlaufbahn um die Erde absolvieren kann. Obwohl solche Ereignisse seit vielen Jahren beobachtet werden, sind die physikalischen Prozesse, die für diese Elektronenverluste verantwortlich sind, noch nicht vollständig verstanden, und ihre relative Bedeutung wurde bislang nicht quantifiziert. Es gibt zwei Hauptmechanismen, die als Ursache für diese Verluste vorgeschlagen werden: 1) die Streuung von Elektronen durch elektromagnetische Ionen-Zyklotron-Wellen (EMIC-Wellen, Kennel & Thorne, 1971), die Elektronen in die Erdatmosphäre führen können, und 2) die radiale Diffusion nach außen, bei der Elektronen zur Magnetopause transportiert werden und ins All entweichen (Shprits et al., 2006).
Das übergeordnete Ziel dieses Projekts ist es, die Ursachen dieser Elektronenausfälle bei unterschiedlichen Energien zu verstehen und zu bestimmen, wie stark jeder der beiden Mechanismen unter verschiedenen Weltraumwetterbedingungen wirkt. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die Expertise des GFZ Potsdam, der TU Braunschweig und des Instituts für Atmosphärenphysik (IAP) in Prag kombinieren, um Modelle für EMIC-Wellen sowie für die Lage und Variabilität der Magnetopause zu entwickeln. Diese Modelle werden in den Versatile Electron Radiation Belt (VERB)-Simulationscode integriert. Mit Sensitivitätsexperimenten lässt sich untersuchen und quantifizieren, wie die beiden Hauptmechanismen die Dynamik der Strahlungsgürtelelektronen bei unterschiedlichen Energien beeinflussen. Diie Simulationsergebnisse werden anschließend sorgfältig mit Satellitenmessungen verglichen, um festzustellen, ob zusätzliche physikalische Verlustprozesse notwendig sind, um verbleibende Unterschiede zwischen Modellvorhersagen und Beobachtungen zu erklären.
Durch das bessere Verständnis, wie und warum Elektronen aus den Strahlungsgürteln verloren gehen, wird dieses Projekt dazu beitragen, die Dynamik der Gürtel unter verschiedenen Weltraumwetterbedingungen zu erklären. Die Ergebnisse liefern ein vollständigeres Bild darüber, wie die Gürtel auf geomagnetische Stürme reagieren, und ermöglichen eine bessere Einschätzung der Risiken für Satelliten und Weltraummissionen.
Laufzeit: 7/2025 – 6/2028
Zuwendungsgeber: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)
Projektverantwortlicher am GFZ: Prof. Dr. Yuri Shprits
Kollaboration: Technische Universität Braunschweig, Tschechische Akademie der Wissenschaften