Artistieke illustratie van ESA's Cluster-ruimtevaartuig dat boven de aarde zweeft. Afbeelding tegoed: ESA Klik om te vergroten
ESA's Cluster-missie heeft een nieuw scheppingsmechanisme onthuld van ‘killer electrons’ - zeer energetische elektronen die verantwoordelijk zijn voor het beschadigen van satellieten en een ernstig gevaar vormen voor astronauten.
In de afgelopen vijf jaar hebben een reeks ontdekkingen van de Cluster-missie met meerdere ruimtevaartuigen onze kennis over hoe, waar en onder welke omstandigheden deze dodelijke elektronen in de magnetosfeer van de aarde worden gecreëerd, aanzienlijk vergroot.
Vroege satellietmetingen in de jaren vijftig onthulden het bestaan van twee permanente ringen van energetische deeltjes rond de aarde.
Ze worden gewoonlijk de ‘Van Allen-stralingsgordels’ genoemd en zijn gevuld met deeltjes die gevangen zitten in het magnetische veld van de aarde. Waarnemingen toonden aan dat de binnenste riem een vrij stabiele populatie van protonen bevat, terwijl de buitenste band voornamelijk bestaat uit elektronen in een meer variabele hoeveelheid.
Sommige van de buitenste riemelektronen kunnen worden versneld tot zeer hoge energieën, en het zijn deze 'dodelijke elektronen' die door dikke afschermingen kunnen dringen en gevoelige satellietelektronica kunnen beschadigen. Deze intense stralingsomgeving is ook een bedreiging voor astronauten.
Wetenschappers proberen al heel lang uit te leggen waarom het aantal geladen deeltjes in de banden zo varieert. Onze grote doorbraak kwam toen in oktober en november 2003 twee zeldzame ruimte-stormen bijna back-to-back plaatsvonden.
Tijdens de stormen werd een deel van de Van Allen-stralingsgordel ontdaan van elektronen en vervolgens veel dichter bij de aarde hervormd in een gebied dat gewoonlijk relatief veilig wordt geacht voor satellieten.
Toen de stralingsgordels hervormden, namen ze niet toe volgens een lang bestaande theorie van deeltjesversnelling, ‘radiale diffusie’ genoemd. Radiale diffusietheorie behandelt de magnetische veldlijnen van de aarde als elastische banden.
Als de banden worden geplukt, wiebelen ze. Als ze met dezelfde snelheid wiebelen als de deeltjes die rond de aarde drijven, kunnen de deeltjes over het magnetische veld worden gedreven en versneld. Dit proces wordt aangedreven door zonneactiviteit.
In plaats daarvan gebruikte een team van Europese en Amerikaanse wetenschappers onder leiding van Dr. Richard Horne van de British Antarctic Survey, Oxford, VK, gegevens van Cluster en grondontvangers op Antarctica om aan te tonen dat golven met een zeer lage frequentie de deeltjesversnelling kunnen veroorzaken en de banden kunnen intensiveren.
Deze golven, ‘chorus’ genoemd, zijn natuurlijke elektromagnetische emissies in het audiofrequentiebereik. Ze bestaan uit discrete elementen van korte duur (minder dan een seconde) die klinken als het refrein van zingende vogels bij zonsopgang. Deze golven behoren tot de meest intense in de buitenste magnetosfeer.
Het aantal 'dodelijke elektronen' kan op het hoogtepunt van een magnetische storm en in de dagen daarna met een factor duizend toenemen. Intense zonneactiviteit kan de buitenste gordel ook veel dichter bij de aarde duwen, waardoor satellieten op lagere hoogte worden blootgesteld aan een veel zwaardere omgeving dan waarvoor ze zijn ontworpen.
De radiale diffusietheorie is nog steeds geldig in sommige geofysische omstandigheden. Vóór deze ontdekking dachten sommige wetenschappers dat de kooremissies niet voldoende efficiënt waren om de reformatie van de buitenste stralingsgordel te verklaren. Wat Cluster heeft onthuld, is dat onder bepaalde sterk verstoorde geofysische omstandigheden de kooremissies voldoende zijn.
Dankzij het unieke multipoint-meetvermogen van Cluster zijn de karakteristieke afmetingen van deze refreinbrongebieden voor het eerst geschat.
Typische afmetingen blijken een paar honderd kilometer te zijn in de richting loodrecht op het magnetische veld van de aarde en enkele duizenden kilometers in de richting parallel hieraan.
De tot dusver gevonden dimensies zijn echter gebaseerd op casestudy's. “Onder verstoorde magnetosferische omstandigheden vormen de koorbrongebieden lange en smalle spaghetti-achtige objecten. De vraag is nu of die zeer lage loodrechte schalen een algemene eigenschap zijn van het koormechanisme, of slechts een speciaal geval van de geanalyseerde waarnemingen ”, zegt Ondrej Santolik van de Charles Universiteit, Praag, Tsjechië, en de hoofdauteur van dit resultaat.
Vanwege onze toegenomen afhankelijkheid van ruimtegebaseerde technologieën en communicatie, is het begrip van hoe, onder welke omstandigheden en waar deze dodelijke elektronen worden gecreëerd, vooral tijdens magnetische stormperioden, van groot belang.
Oorspronkelijke bron: ESA Portal
