Van-Allen-Gürtel

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Van-Allen-Strahlungsgürtel

Der Van-Allen-Strahlungsgürtel (benannt nach James Van Allen) ist ein Ring (Torus) energiereicher geladener Teilchen, die durch das magnetische Feld der Erde eingefangen werden. Obwohl auch andere Planeten von ähnlichen Gürteln umgeben sind, bezieht sich der Begriff Van-Allen-Gürtel speziell auf den Strahlungsgürtel um die Erde.

Der Gürtel besteht im Wesentlichen aus zwei Strahlungszonen:

  • die innere erstreckt sich in niedrigen geografischen Breiten, d.h. in der Nähe des Äquators, in einem Bereich von etwa 700 bis 6.000 Kilometer über der Erdoberfläche und besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen.
  • die äußere befindet sich in etwa 15.000 bis 25.000 Kilometer Höhe und enthält vorwiegend Elektronen.

Bisher wurde angenommen, dass die Teilchen des Van-Allens-Gürtels überwiegend aus dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung stammen. Neueste Untersuchungen der Ergebnisse der Sonden „Van Allen A“ und „Van Allen B“ zeigen jedoch, dass ein Großteil der Teilchen im Gürtel selbst entsteht, indem dort Atome von elektromagnetischen Feldern quasi zerrissen und so Elektronen herausgelöst werden.[1][2]

Die geladenen kosmischen Teilchen werden im Van-Allen-Gürtel durch das Magnetfeld der Erde infolge der Lorentzkraft abgelenkt, in einer magnetischen Flasche eingeschlossen und schwingen so zwischen den Polen der Erde mit einer Schwingungsdauer von etwa einer Sekunde hin und her.

Wenn der Gürtel überladen wird, streifen die Partikel die obere Erdatmosphäre und regen diese zur Fluoreszenz an, wodurch das Polarlicht entsteht.

Nachweis[Bearbeiten]

DDR-Sondermarke „Erforschung der Strahlungsgürtel“ aus dem Jahr 1964

Das Vorhandensein eines Strahlungsgürtels wurde schon vor dem Weltraumzeitalter vermutet. Bestätigt wurde die Theorie am 31. Januar 1958 durch die Mission von Explorer 1 und durch die Folgemission Explorer 3, die von James Van Allen geleitet wurden. Weitere Explorer-Missionen konnten die Teilchen kartieren.

Strahlungsgürtel
(oben: Protonen, unten: Elektronen)

Die Grafik veranschaulicht die Verteilung der Teilchendichte um die Erde. Hochenergetische Protonen (oberes Bild) konzentrieren sich im inneren Strahlungsgürtel oberhalb von 3.000 und 6.000 km der Erdoberfläche. Energiereiche Elektronen (unten) verstärken den inneren und bilden den äußeren Strahlungsgürtel um 25.000 km Höhe. Die Teilchendichte der Protonen mit einer Energie von mehr als 10 MeV und der Elektronen mit mehr als 0,5 MeV liegt in der Größenordnung von 106 Teilchen/(cm²·s). Die Ionisations-Strahlenbelastung durch Elektronen auf elektrische Bauteile liegt bei 0,1 bis 1 krad/h (1 bis 10 Gy/h), durch Protonen (hinter 1 cm Aluminium-Abschirmung) zwei Größenordnungen niedriger.

Im Rahmen des Pamela-Experimentes wurde 2011 nachgewiesen, dass im inneren Strahlungsgürtel der Magnetosphäre eine Anhäufung von Antimaterie existiert.[3] Die detektierten Antiprotonen entstehen vermutlich bei der Kollision hochenergetischer kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre.[4][5]

Im März 2013 wurde durch die beiden Van-Allen-Sonden ein dritter, bislang unbekannter Strahlungsgürtel entdeckt.[6][7]

Im September 2012 konnten die Zwillingssonden Van Allen Probes neben den zwei bekannten Strahlungsgürteln der Erde auch einen temporären Strahlungsgürtel nachweisen. Dieser spaltet sich nach neusten Erkenntnissen vom äußeren Gürtel ab. Nachdem der temporäre Strahlungsgürtel etwa einen Monat lang mit konstanter Intensität messbar war, wurde er durch eine starke Sonneneruption aufgelöst. Forscher der NASA vermuten, dass solche temporären Strahlungsgürtel häufiger vorkommen.[8]

Strahlenbelastung[Bearbeiten]

Siehe auch: Strahlenbelastung
Energiedosis in ca. 38.000 km Höhe,
hinter einer Aluminium-Abschirmung variabler Dicke
(doppelt-logarithmische Darstellung)

Die Äquivalentdosis der Strahlung beider Hauptzonen beträgt hinter 3 mm dickem Aluminium unter extremen Umständen bis zu 200 mSv/h (Millisievert pro Stunde) im Kernbereich des inneren Gürtels und bis zu 50 mSv/h im Kernbereich des äußeren Gürtels. Als Normwerte gelten im gesamten Van-Allen-Gürtel 0,7-1,5 mSv pro Tag (effektive Dosis), diese Diskrepanz lässt sich zum einen durch die verschiedenen Messmethoden erklären, zum anderen aber auch durch die Abhängigkeit der Strahlung von den starken Schwankungen der Sonnenaktivität. Dadurch können mitunter 1000-mal höhere Werte gemessen werden. Auf der Erde ist die Strahlung des inneren Van-Allen-Gürtels im Bereich der Südatlantischen Anomalie deutlich zu beobachten.

Zum Vergleich: In Europa beträgt die mittlere Strahlungsdosis auf Meereshöhe etwa 2 mSv/a ≈ 0,2 µSv/h.

Bedeutung für die Raumfahrt[Bearbeiten]

Bemannte Raumfahrt[Bearbeiten]

Die Intensität der Strahlung innerhalb des Van-Allen-Gürtels kann räumlich und zeitlich begrenzt gesundheitsgefährdende Werte erreichen. Daher darf der Aspekt des Strahlenschutzes bei bemannten Raumfahrtmissionen im Erdorbit nicht vernachlässigt werden. Wie groß die Belastung für den menschlichen Organismus ist, hängt von der Sonnenaktivität, der Beschaffenheit der Raumfahrzeughülle, der Trajektorie und der Bahngeschwindigkeit beziehungsweise der Missionsdauer ab.

Messgeräte[Bearbeiten]

Astronomische Messgeräte wie das Röntgenteleskop Chandra können nur außerhalb des Strahlungsgürtels sinnvolle Daten liefern und müssen deshalb auf entsprechend hohe Umlaufbahnen gebracht werden.

Literatur[Bearbeiten]

  • Richard B. Horne, (et al.): Wave acceleration of electrons in the Van Allen radiation belts. In: Nature. Band 437, 2005, doi:10.1038/nature03939, S. 227-230.
  • D. N. Baker, (et al.): An extreme distortion of the Van Allen belt arising from the 'Hallowe'en' solar storm in 2003. In: Nature. Band 432, 2004, doi:10.1038/nature03116, S. 878-881.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Science - Electron Acceleration in the Heart of the Van Allen Radiation Belts by G.D. Reeves et. all. Science, 25. Juli 2013, abgerufen am 26. Juli 2013.
  2. Van-Allen-Gürtel: Forscher lösen Geheimnis der irdischen Strahlungsringe spiegel.de, abgerufen am 27. Juli 2013
  3. Oscar Adriani, (et al.): The Discovery of Geomagnetically Trapped Cosmic-Ray Antiprotons. In: The Astrophysical Journal Letters. Band 737, Nr. 2, 2011, doi:10.1088/2041-8205/737/2/L29, S. 1-5 (Preprint-Artikel bei arXiv.org; 126 kB).
  4. Nachweis im Teilchenstrom: Antimaterie im Orbit – Artikel bei Spiegel online, vom 6. August 2011
  5. Teilchenphysik: Antiprotonenring umhüllt die Erde – Artikel bei Spektrum der Wissenschaft, vom 8. August 2011
  6. Dritter Strahlungsgürtel der Erde entdeckt. - Artikel bei astronews.de, vom 4. März 2013
  7. Van-Allen-Probes-Mission: Nasa-Sonden finden Strahlungsgürtel der Erde. Spiegel Online, 1. März 2013, abgerufen am 10. März 2013.
  8. Dritter Strahlungsgürtel um die Erde entdeckt, Wissenschaft aktuell vom 1. März 2013.