Um den Saturn und andere Planeten einschließlich der Erde sind energiereiche geladene Teilchen in Magnetfeldern gefangen, die von den Planeten selbst erzeugt werden. Die Teilchen ordnen sich in Donut-förmigen Zonen an, die als Strahlungsgürtel bezeichnet werden. Ein Beispiel ist der Van-Allen-Gürtel um die Erde, wo sich Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen.
Ein neues Computermodell, das auf Daten der NASA-Raumsonde Cassini basiert, die den Saturn 13 Jahre lang umkreiste, hat nun einem Team internationaler WissenschaftlerInnen unter der Leitung des British Antarctic Survey (BAS), dem Polarforschungsprogramm Großbritanniens, tiefere Einblicke in das Phänomen erlaubt. Yuri Shprits, Leiter der GFZ-Sektion Magnetosphärenphysik , gehörte ebenso zum Team wie ForscherInnen der University of Iowa. Die Entdeckung zieht die unter ExpertInnen akzeptierte Sichtweise über die Mechanismen in Zweifel, die für die Beschleunigung der Elektronen auf solche extremen Energien in den Strahlungsgürteln des Saturns verantwortlich sind. Die zugehörige Studie ist im Fachjournal Nature Communications erschienen.
Lange hat man angenommen, dass Elektronen um den Saturn durch einen Prozess der sogenannten radialen Diffusion auf extrem hohe Energien beschleunigt werden. Dabei werden die Elektronen immer wieder in Richtung des Planeten gestoßen, wobei ihre Energie zunimmt.
Plasmawellen könnten die Antwort sein
Eine alternative Möglichkeit, die Elektronen zu beschleunigen, wäre eine Wechselwirkung mit einer bestimmten Art von Plasmawellen, wie sie um die Erde und den Jupiter stattfindet. Als Plasma bezeichnet man Gase, deren Partikel zumindest zum Teil ionisiert sind. Saturn besitzt eine Plasmaschicht, die mit dem Planeten mitrotiert. Um Saturn waren die Plasmawellen bislang als ineffektiv abgetan worden. Die ForscherInnen entdeckten jedoch, dass in dessen einzigartiger Umgebung eine andere Form der Plasmawellen namens Z-Modus-Wellen entscheidend ist.
Das Team kommt zu dem Schluss, dass die Elektronenbeschleunigung durch Z-Modus-Wellen in den Strahlungsgürteln des Saturn schneller wirkt als die radiale Diffusion. Beide Mechanismen tragen demnach dazu bei, die Strahlungsgürtel am Saturn aufrecht zu erhalten.
Die Hauptautorin Emma Woodfield vom BAS sagt: „Diese Studie liefert uns ein besseres Verständnis dafür, wie Strahlungsgürtel im gesamten Sonnensystem funktionieren und wird Modellierungsexperten wie mir helfen, das Weltraumwetter auf der Erde genauer vorherzusagen, was wiederum Astronauten und Satelliten vor Strahlungsrisiken schützt.“
Yuri Shprits: „Ich denke, es ist entscheidend, die extremen Strahlungsbedingungen der äußeren Planeten zu verstehen. Diese Studie bietet uns die einzigartige Gelegenheit, die potenziellen Extreme des terrestrischen Weltraumwetters zu bewerten und zu verstehen, welches Weltraumwetter um Exoplaneten herrschen könnte, die sich außerhalb unseres Sonnensystems befinden.“ (ph)
Originalstudie: Woodfield, E. E., Horne, R. B., Glauert, S. A., Menietti, J. D., Shprits, Y. Y., Kurth, W. S., 2018. Formation of electron radiation belts at Saturn by Z-mode wave acceleration. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-018-07549-4
