Die Strahlungsgürtel, die die Erde umgeben, enthalten hochenergetische Teilchen, die mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit umherfliegen, sporadisch angeregt werden und gelegentlich plötzlich verschwinden. In der Wissenschaft werden diese energiereichsten Elektronen im erdnahen Raum als ultra-relativistisch bezeichnet, da die relativistischen Effekte bei diesen Teilchen sehr ausgeprägt sind.

Bei der zuletzt durchgeführten Mission der Van-Allen-Sonden der NASA (bis 2019) wurden viele dieser Phänomene im Van-Allen-Gürtel der Erde zum ersten Mal gemessen. Beispielsweise zeigten die Messungen bei diesen sehr hohen Energien sehr ungewöhnliche Ringe, die monatelang im Weltraum verbleiben können und dann plötzlich verschwinden. Die Analyse der Daten wurde noch Jahre nach dem Ende der Mission fortgesetzt. So hat beispielsweise die Gruppe des GFZ-Forschers Yuri Shprits durch detaillierte Modellierung und Analyse die physikalischen Mechanismen aufgedeckt, die diese Strukturen verursachen. In einer Reihe von viel beachteten Veröffentlichungen erklärten die Forschenden, dass dieses Verhalten auf sehr eigentümliche Wechselwirkungen zwischen Plasmawellen zurückzuführen ist.

Bei Plasmawellen handelt es sich um periodische Fluktuationen des magnetischen und elektrischen Feldes. Insbesondere zeigten das Team um Yuri Shprits, dass die dramatische Beschleunigung lokal erfolgt und nicht durch die Diffusion von Teilchen aus der äußeren Region. Shprits erläutert: „Diese Teilchen surfen auf den Plasmawellen und gewinnen Energie, wodurch der erdnahe Raum sie lokal auf so enorme Energien aufheizen kann, dass sie 0,999 der Lichtgeschwindigkeit erreichen.“ Solche Wechselwirkungen gebe es nur im Plasma, dem vierten Aggregatzustand der Materie, und sie seien auf das so genannte kollektive Verhalten zurückzuführen. Auch der plötzliche und dramatische Verlust im Zentrum der Strahlungsgürtel gehe auf Wechselwirkungen mit Wellen zurück, welche diese Teilchen in die Atmosphäre streuen können.

Der bestimmende Faktor für die Wechselwirkungen, die zur Beschleunigung ebenso wie zum Verschwinden der Teilchen führen, ist so genanntes kaltes Plasma. Obwohl das Weltraumplasma so dünn ist, dass die Teilchen nie miteinander kollidieren, können die kalten Teilchen das Surfen der ultra-relativistischen Teilchen auf den Wellen kollektiv beeinflussen. Auf der Grundlage all dieser Erkenntnisse und des nunmehrigen physikalischen Verständnisses argumentieren die Autor:innen um Yuri Shprits, dass es sich bei den ultra-relativistischen Elektronen in den Strahlungsgürteln um eine neue Population von Teilchen handelt. Die Arbeit ist von der AGU-Fachzeitschrift Science Advances als „Highlight“ hervorgehoben worden.

Original Studie: Shprits, Y. Y., Allison, H. J., Wang, D., Drozdov, A., Szabo-Roberts, M., Zhelavskaya, I., & Vasile, R. (2022). A new population of ultra-relativistic electrons in the outer radiation zone. Journal of Geophysical Research: Space Physics, 127, e2021JA030214. doi.org/10.1029/2021JA030214