Van-Allen-Gürtel: Der Strahlungsring, der die Erde schützt und Astronauten herausfordert

    Um die Erde herum gibt es einen unsichtbaren Bereich, in dem energiereiche Teilchen vom Magnetfeld eingefangen werden – ein natürlicher Schutzschild, der für das Leben und die Weltraumforschung unverzichtbar ist.

    Die Van-Allen-Gürtel sind Strukturen, die durch das Magnetfeld der Erde erzeugt werden.
    Die Van-Allen-Gürtel sind Strukturen, die durch das Magnetfeld der Erde erzeugt werden.

    Im Jahr 1958, als die Weltraumforschung gerade erst begann, entdeckten die ersten Satelliten Regionen mit extremer Strahlung, die die Erde umgaben, die vom Boden aus nicht sichtbar waren, aber elektronische Instrumente im erdnahen Weltraum beeinträchtigen konnten.

    Die Entdeckung wurde dank der Arbeit des Physikers James Van Allen und der Detektoren an Bord des Satelliten Explorer 1 möglich, die zeigten, dass bestimmte geladene Teilchen nicht in den Weltraum entwichen, sondern stattdessen vom Magnetfeld der Erde eingefangen wurden und riesige Strahlungszonen bildeten.

    Diese Regionen wurden als Van-Allen-Gürtel bekannt und markierten einen Wendepunkt in der Wissenschaft. Zum ersten Mal betrachteten wir die Erde nicht mehr als isolierten Planeten, sondern begannen, ihren Magnetismus und damit ihren inneren Dynamo zu verstehen.

    Eine direkte Folge der Van-Allen-Gürtel sind die Polarlichter, da Partikel geleitet und umgelenkt werden.
    Eine direkte Folge der Van-Allen-Gürtel sind die Polarlichter, da Partikel geleitet und umgelenkt werden.

    Die Entdeckung hatte auch unmittelbare praktische Konsequenzen, da sie Wissenschaftlern ermöglichte zu verstehen, dass der erdnahe Weltraum kein harmloses Vakuum ist, sondern eine feindliche Umgebung, die bei der Konstruktion von Satelliten, Sonden und zukünftigen bemannten Missionen berücksichtigt werden muss.

    Seitdem sind die Van-Allen-Gürtel zu einem natürlichen Laboratorium für die Erforschung der Wechselwirkungen zwischen dem Sonnenwind, dem Erdmagnetfeld und den energiereichen Teilchen geworden, die ständig durch das Sonnensystem strömen.

    Zwei Gürtel, ein Schild

    Das Van-Allen-System besteht hauptsächlich aus zwei Gürteln:

    • Der innere Gürtel erstreckt sich von etwa 1.000 bis 12.000 Kilometern Höhe und wird von extrem energiereichen Protonen dominiert, die dort über lange Zeiträume eingeschlossen bleiben können.
    • Der äußere Gürtel, der sich zwischen 13.000 und 60.000 Kilometern befindet, enthält hauptsächlich Elektronen, die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen. Seine Struktur ist instabiler und reagiert schnell auf Veränderungen der Sonnenaktivität.

    Beide Gürtel existieren dank des Magnetfelds der Erde, das geladene Teilchen dazu zwingt, spiralförmigen Bahnen entlang seiner Linien zu folgen, wodurch keine gleichmäßige Hülle, sondern unregelmäßige Regionen mit unterschiedlicher Intensität entstehen.

    Während Sonnenstürmen können sich diese Gürtel ausdehnen, zusammenziehen oder sogar vorübergehend Partikel verlieren. Sie sind keine starren Strukturen, sondern dynamische Systeme, die sich unter dem Einfluss des Sonnenwinds und der erdnahen Weltraumumgebung ständig verändern.

    Eine Herausforderung für Satelliten und Astronauten

    Die in diesen Regionen vorhandene Strahlung stellt ein erhebliches Risiko für die Weltraumtechnologie dar. Satelliten – insbesondere geostationäre Satelliten –, die diese Regionen durchqueren, können Schäden an ihrer Elektronik, Systemstörungen oder eine allmähliche Verschlechterung empfindlicher Komponenten davontragen.

    Aus diesem Grund werden die Umlaufbahnen vieler Satelliten sorgfältig so ausgelegt, dass sie die intensivsten Zonen meiden. Andere verfügen über spezielle Abschirmungen und Systeme, die es ihnen ermöglichen, einer längeren Einwirkung hochenergetischer Teilchen standzuhalten.

    Bemannten Raumflügen muss so geplant werden, dass gefährliche Strahlung für Astronauten vermieden wird.
    Bemannten Raumflügen muss so geplant werden, dass gefährliche Strahlung für Astronauten vermieden wird.

    Auch bei Weltraummissionen muss diese Umgebung berücksichtigt werden, insbesondere für Astronauten, die – obwohl sie sich nicht innerhalb der Gürteln aufhalten – diese durchqueren und daher bestimmte Flugbahnen einhalten müssen, um die insgesamt aufgenommene Strahlungsdosis zu minimieren.

    Die Apollo-Missionen haben gezeigt, dass diese Überquerung bei richtiger Planung sicher ist, wodurch hartnäckige Mythen aus der Bevölkerung widerlegt wurden und bestätigt wurde, dass das eigentliche Risiko in einer längeren Exposition liegt und nicht darin, diese Regionen einfach zu durchqueren.

    Ein natürlicher Schutzschild für das Leben auf der Erde

    Abgesehen von technologischen Risiken spielen diese Regionen eine entscheidende Rolle für den Planeten, indem sie Partikel aus dem Sonnenwind und kosmische Strahlung einfangen und so die Strahlungsmenge, die die Atmosphäre und die Erdoberfläche erreicht, erheblich reduzieren.

    Dieser Magnetschild war entscheidend für die Erhaltung der langfristigen atmosphärischen Stabilität und ermöglichte die Entwicklung von Leben. Ohne ihn wäre die Erosion durch energiereiche Teilchen im Laufe der Erdgeschichte weitaus intensiver gewesen.

    Ihre Untersuchung ist auch für die Astronomie von Nutzen, da sie uns hilft zu verstehen, was auf anderen Planeten geschieht. Durch den Vergleich der Erde beispielsweise mit Mars oder Venus können wir beurteilen, ob das Vorhandensein – oder Fehlen – eines Magnetfelds die planetarische Entwicklung beeinflusst, nicht nur in unserem Sonnensystem, sondern auch bei Exoplaneten.

    Aus technologischer Sicht ist es mit dem Aufkommen großer Satellitenkonstellationen auch wichtig, langfristige Auswirkungen zu berücksichtigen, da wir zunehmend von der digitalen Vernetzung abhängig werden, die diese Systeme bieten.