Die NASA wird zwei Raketen zum Nordlicht fliegen, um zu untersuchen, wie unser Planet Energie mit dem Weltraum austauscht

Die Nordlichter sind eine der spektakulärsten Sehenswürdigkeiten der Erde, aber Astronomen interessieren sich genauso für die Wissenschaft dahinter.

Jetzt hat die NASA Pläne bekannt gegeben, zwei Raketen direkt durch sie hindurch zu fliegen, um zu untersuchen, wie unser Planet Energie mit dem ihn umgebenden Weltraum austauscht.

Das Nordlicht, auch Aurora Borealis genannt, tritt an der Grenze zwischen der neutralen Atmosphäre auf, die unseren Planeten umhüllt, und der elektrisch reaktiven Materie, die als Plasma bekannt ist und den Weltraum ausmacht.

Gelegentlich, wenn elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltraum in unsere Atmosphäre strömen, kollidieren sie mit den neutralen Teilchen und setzen sie in Brand, was zu den wunderschönen tanzenden Lichtwellen führt, die wir am Himmel sehen.

Die Aurora wirbelt jedoch auch die breitere Grenzschicht auf, und die Auswirkungen auf diese Schicht hofft die NASA bei ihrer bevorstehenden INCAA-Mission (Ion-Neutral Coupling during Active Aurora) zu untersuchen.

„Als Bewohner der Troposphäre, der untersten atmosphärischen Schicht der Erde, sind wir an Luft aus neutralen Teilchen gewöhnt. Der Sauerstoff und Stickstoff, den wir atmen, sind magnetisch ausgeglichene Atome und Moleküle, bei denen alle ihre Elektronen berücksichtigt werden“, erklärt die NASA.

„Aber Hunderte von Kilometern über uns beginnt unsere Luft ihren Charakter grundlegend zu verändern. Angeregt durch die ungefilterten Strahlen der Sonne werden Elektronen aus ihren Atomen herausgerissen, die dann eine positive Ladung annehmen.

“Ein einst neutrales Gas verwandelt sich in einen elektrisch reaktiven Materiezustand, der als Plasma bekannt ist.”

Es gibt keine harte Grenze, wo das neutrale Gas endet und das Plasma beginnt; Stattdessen gibt es eine ausgedehnte Grenzschicht, in der sich die beiden Arten von Partikeln vermischen.

Tägliche Winde und magnetische Störungen lassen die Partikel in verschiedene Richtungen fliegen, wodurch sie gelegentlich kollidieren und Energie freisetzen.

“Reibung ist eine großartige Analogie”, sagte Stephen Kaeppler, Assistenzprofessor für Physik und Astronomie an der Clemson University in South Carolina und Hauptforscher der INCAA-Mission.

„Wir alle wissen, dass wir uns die Hände aneinander reiben, du wirst Hitze bekommen. Es ist dieselbe Grundidee, außer dass wir es jetzt stattdessen mit Gasen zu tun haben.“

Wenn Polarlichter in die Mischung gegeben werden, erhöht sich die Reibung laut Kaeppler um eine Stufe.

“Es ist, als würde man nach einem College-Spiel das Footballfeld stürmen”, sagte er.

„Die Leute oben im Stadion rennen zum Spielfeld, und je näher man dem Spielfeld kommt, desto dichter wird die Menge. So ist es für Elektronen, die der zunehmenden neutralen Dichte der oberen Atmosphäre ausgesetzt sind.’

Wenn elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltraum in unsere Atmosphäre strömen, kollidieren sie mit neutralen Teilchen und setzen sie in Brand, was zu den wunderschönen tanzenden Lichtwellen führt, die wir am Himmel sehen (Archivbild)

Die INCAA-Mission beinhaltet das Senden von zwei kleinen “Höhenforschungsraketen” an den Rand des Weltraums, während die Polarlichter über ihnen sind.

Höhenforschungsraketen sind kleine Trägerraketen, die für ein paar Minuten Messungen in den Weltraum aufsteigen, bevor sie auf die Erde zurückfallen, wodurch sie ideal geeignet sind, um kurze, vorübergehende Phänomene wie Polarlichter zu untersuchen.

Auf ihrem Weg nach oben wird die erste Rakete „Vapour Tracer“ freisetzen – bunte Chemikalien, die denen ähneln, die in Feuerwerksvorführungen verwendet werden – bevor sie ihre Spitzenhöhe von etwa 186 Meilen erreicht.

Die Dampfspuren erzeugen sichtbare Wolken, die Forscher vom Boden aus sehen können, und verfolgen die Winde in der neutralen Atmosphäre, als würde man Lebensmittelfarbe in ein mit Wasser gefülltes Waschbecken tropfen, um zu sehen, wie sich das Wasser bewegt.

Die zweite Rakete wird kurz darauf starten und etwa 200 Kilometer Höhe erreichen, um die Temperatur und Dichte des Plasmas in und um die Aurora zu messen.

Kaeppler hofft, dass diese Daten Aufschluss darüber geben, wie die Aurora die Grenzschicht verschiebt, wo elektrifizierte Luft auf Neutral trifft – ob sie sie weiter zum Boden drückt, sie höher anhebt oder sie dazu bringt, sich in sich selbst zu falten.

“All diese Faktoren machen dies zu einem interessanten physikalischen Problem, das es zu untersuchen gilt”, sagte Kaeppler.

Das Startfenster für die INCAA-Mission öffnet sich am 23. März auf der Poker Flat Research Range in Poker Flat, Alaska.

SONNENSTURME STELLEN EINE DEUTLICHE GEFAHR FÜR ASTRONAUTEN DAR UND KÖNNEN SATELLITEN BESCHÄDIGEN

Sonnenstürmeoder Sonnenaktivität, kann unterteilt werden in vier Hauptkomponenten die Auswirkungen auf die Erde haben können:

• Sonneneruptionen: Eine große Explosion in der Atmosphäre der Sonne. Diese Fackeln bestehen aus Photonen, die direkt von der Fackelstelle ausgehen. Sonneneruptionen treffen die Erde nur, wenn sie auf der der Erde zugewandten Seite der Sonne auftreten.
• Koronare Massenauswürfe (CMEs): Große Plasmawolken und Magnetfelder, die von der Sonne ausbrechen. Diese Wolken können in jede Richtung ausbrechen und dann in diese Richtung weiterziehen, indem sie durch den Sonnenwind pflügen. Diese Wolken verursachen nur dann Auswirkungen auf die Erde, wenn sie auf die Erde gerichtet sind.
• Hochgeschwindigkeits-Sonnenwindströme: Diese stammen von koronalen Löchern auf der Sonne, die sich überall auf der Sonne bilden, und normalerweise treffen die Winde nur dann auf die Erde, wenn sie näher am Sonnenäquator sind.
• Solarenergieteilchen: Hochenergetische geladene Teilchen, von denen angenommen wird, dass sie hauptsächlich durch Erschütterungen freigesetzt werden, die sich an der Vorderseite von koronalen Massenauswürfen und Sonneneruptionen bilden. Wenn eine CME-Wolke durch den Sonnenwind pflügt, können solarenergetische Teilchen erzeugt werden, und weil sie geladen sind, folgen sie den magnetischen Feldlinien zwischen Sonne und Erde. Nur geladene Teilchen, die magnetischen Feldlinien folgen, die die Erde schneiden, werden eine Wirkung haben.

Obwohl diese gefährlich erscheinen mögen, sind Astronauten aufgrund der relativ niedrigen Umlaufbahn bemannter Missionen nicht unmittelbar von diesen Phänomenen bedroht.

Sie müssen sich jedoch Sorgen über die kumulative Exposition während Weltraumspaziergängen machen.

Dieses Foto zeigt die koronalen Löcher der Sonne in einem Röntgenbild. Die äußere Sonnenatmosphäre, die Korona, ist durch starke Magnetfelder strukturiert, die im geschlossenen Zustand dazu führen können, dass die Atmosphäre plötzlich und heftig Blasen oder Zungen aus Gas und Magnetfeldern freisetzt, die als koronale Massenauswürfe bezeichnet werden

Die Schäden durch Sonnenstürme

Sonneneruptionen können Satelliten beschädigen und enorme finanzielle Kosten verursachen.

Die geladenen Teilchen können auch Fluggesellschaften bedrohen, indem sie das Magnetfeld der Erde stören.

Sehr große Fackeln können sogar Ströme innerhalb von Stromnetzen erzeugen und die Energieversorgung ausschalten.

Wenn koronale Massenauswürfe die Erde treffen, verursachen sie geomagnetische Stürme und verstärkte Polarlichter.

Sie können Funkwellen und GPS-Koordinaten stören und elektrische Systeme überlasten.

Ein großer Energiezufluss könnte in Hochspannungsnetze fließen und Transformatoren dauerhaft beschädigen.

Dies könnte Unternehmen und Haushalte auf der ganzen Welt schließen.

Quelle: NASA – Sonnensturm und Weltraumwetter