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Nasa: Globales elektrisches Feld auf der Erde entdeckt

Die Nasa hat erstmals das ambipolare elektrische Feld in der Erdatmosphäre nachgewiesen. Es erklärt den rasanten Aufwind in der Polarregion.



Die Erde ist von einem schwachen, planetenweiten elektrischen Feld umgeben, das ebenso grundlegend ist wie die Schwerkraft und das Magnetfeld unseres Planeten. Der Nachweis des ambipolaren elektrischen Feldes wurde durch die Suborbitalraketen-Mission Endurance der amerikanischen Raumfahrtbehörde Nasa erbracht.

Das elektrische Feld befördert geladene Teilchen in der oberen Erdatmosphäre in größere Höhen, wie sie sonst nicht erreicht werden könnten. Das sogenannte ambipolare elektrische Feld war vor über 60 Jahren die erste Hypothese, die davon ausging, dass die Atmosphäre unseres Planeten über den Nord- und Südpol der Erde entweichen kann.

Ein elektrisches Feld, das Teilchen in den Weltraum befördert

Seit den späten 1960er Jahren entdeckten Raumsonden, die die Pole der Erde überflogen, einen Strom von Teilchen, der in den Weltraum fließt. Dies wird als Polarwind bezeichnet. Die Ursachen waren bislang unklar.

Zwar war ein gewisses Maß an Ausströmung aus der Erdatmosphäre zu erwarten. Intensives, ungefiltertes Sonnenlicht führt dazu, dass einige Partikel aus der Luft in den Weltraum entweichen, so wie Dampf aus einem Topf Wasser verdampft. Doch viele Partikel im Polarwind sind kalt, ohne Anzeichen einer Erwärmung – und doch bewegen sie sich mit Überschallgeschwindigkeit.

Das vermutete elektrische Feld, das auf subatomarer Ebene erzeugt wird, sollte unglaublich schwach sein und seine Auswirkungen nur über Hunderte von Kilometern spüren lassen. Jahrzehntelang lag der Nachweis dieses Feldes jenseits der Grenzen der vorhandenen Technologie.

Wie das ambipolare Feld funktioniert

Am 11. Mai 2022 startete Endurance und erreichte eine Höhe von 768,03 Kilometern. In dem 515 Kilometer langen Höhenbereich, in dem Endurance Daten sammelte, wurde eine Änderung des elektrischen Potenzials von nur 0,55 Volt gemessen – etwa so stark wie die Batterie einer Uhr. Dennoch ist das den Forschungsergebnissen zufolge stark genug, um den Polarwind zu erklären.

250 Kilometer über dem Meeresspiegel, wo sich die Atome in der Atmosphäre in negativ geladene Elektronen und positiv geladene Ionen aufspalten, sollte laut dem Team dieses elektrische Feld beginnen. Elektronen sind unglaublich leicht – der geringste Energieschub könnte sie ins All schießen lassen. Die Ionen sind mindestens 1.836-mal schwerer und neigen dazu, zu Boden zu sinken.

Wäre allein die Schwerkraft im Spiel, würden die beiden Populationen, einmal getrennt, mit der Zeit auseinanderdriften. Da sie jedoch entgegengesetzte elektrische Ladungen haben, bildet sich ein elektrisches Feld, das sie aneinander bindet, eine Trennung der Ladungen verhindert und einige der Auswirkungen der Schwerkraft ausgleicht.

Dieses elektrische Feld wird bidirektional oder ambipolar genannt, weil es in beide Richtungen wirkt. Ionen ziehen die Elektronen mit sich nach unten, während sie mit der Schwerkraft sinken. Gleichzeitig heben die Elektronen die Ionen in größere Höhen. Der Nettoeffekt des ambipolaren Feldes besteht darin, die Ausdehnung der Atmosphäre zu vergrößern und einige Ionen hoch genug anzuheben, um mit dem Polarwind zu entkommen.

Die Details des Prozesses

Wasserstoffionen, die häufigste Art von Teilchen im Polarwind, erfahren durch dieses Feld eine Kraft, die 10,6-mal stärker ist als die Schwerkraft. Diese Kraft reicht aus, um die Teilchen mit Überschallgeschwindigkeit nach oben in den Weltraum zu schleudern.

Generell stellte das Team fest, dass das ambipolare Feld die Ionosphäre um 271 Prozent erhöht. Entsprechend ist die Ionosphäre in größeren Höhen dichter. "Es ist wie ein Förderband, das die Atmosphäre in den Weltraum anhebt", erklärt Glyn Collinson (leitender Nasa-Forscher von Endurance) in einer Pressemitteilung.

Zur Studie

Die Studie wurde am 28. August 2024 in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht: Earth's ambipolar electrostatic field and its role in ion escape to space (Das ambipolare elektrostatische Feld der Erde und seine Rolle beim Entweichen von Ionen in den Weltraum).

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