Ein Rezept für hochenergetische Elektronen
Die beschleunigten Elektronen im Van-Allen-Strahlungsgürtel können Satelliten im Orbit der Erde beschädigen. Diese Elektronen sind energetisch genug, um durch die Außenhaut zu dringen und sich in die Elektronik im Inneren der Satelliten einzunisten. Dort können sie zu Entladungen führen und Störungen im System verursachen. Das EU-finanzierte Projekt MAARBLE (Monitoring, analyzing and assessing radiation belt loss and energization) zielte darauf ab, nicht nur den Ursprung der Elektronenbeschleunigung, sondern auch die in den Phasen geomagnetischer Aktivität zu beobachtenden Verluste zu untersuchen. Die MAARBLE-Partner zogen eine Fülle von Daten von europäischen Missionen und von US-Raumsonden-Messungen von hochenergetischen Elektronen in der Magnetosphäre der Erde heran. Magnetfelddaten von bodengestützten Magnetometern halfen, die Art der Wellen zu definieren, die Elektronen anregen. Das MAARBLE-Team erforschte zwei Mechanismen, durch die Elektronen auf gefährliche Werte beschleunigt werden. Ein Mechanismus beruht auf Wellen mit ultra-niedrigen Frequenzen (ULF) von bis zu 1 Hz, der andere auf Wellen mit sehr niedrigen Frequenzen (VLF) mit Frequenzen von bis zu mehreren hundert kHz. Obwohl die Datenanalyse sehr zeitintensiv war, waren die Ergebnisse das Warten wert. Eine Datenbank mit Eigenschaften von ULF- und VLF-Wellen wurde zusammengestellt und der wissenschaftliche Gemeinschaft über das Cluster Science Archiv der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) zur Verfügung gestellt. Die Wissenschaftler durchsuchten die Datenbank, um statistische Modelle der Wellenaktivität für verschiedene Stufen von geomagnetischer Aktivität zu erstellen. Um den kausalen Zusammenhang zwischen Wellen und Strahlungsgürteldynamik zu entschlüsseln, wurden energetische Elektronenmessungen mit Datenassimilations-Tools eingefügt. Im Allgemeinen vereint die Datenassimilation in-situ Messungen mit Modellen, um die bestmögliche Schätzung des aktuellen Zustands eines komplexen Systems und eine Prognose der künftigen Bedingungen machen zu können. Der resultierende "assimilierte Zustand" ist je nach den Unsicherheiten näher an der Daten- oder der Modell-Ausgabe dran. Die MAARBLE-Wissenschaftler nahmen Daten von mehreren Satelliten in ihre numerischen Simulationen auf und überwanden die grundlegenden Einschränkungen der zugrunde liegenden Physik-Modelle. Die Projektergebnisse sollen Modelle zur Beschreibung der Strahlungsumgebung von Satelliten im Orbit verbessern. Ein besseres Verständnis der treibenden Faktoren der Bildung von hochenergetischen Elektronen wird wiederum dazu beitragen, genauere Vorhersagen zu machen, wann Satelliten von schädlichen Auswirkungen von Partikeln bedroht sind.
Schlüsselbegriffe
Hochenergetischen Elektronen, elektromagnetische Wellen, Van-Allen-Strahlungsgürtel, geomagnetische Aktivität, Datenassimilations-Tools