Mithilfe von Beobachtungen einer NASA-Orbitalrakete ist es einem internationalen Wissenschaftlerteam erstmals gelungen, ein weltweites elektrisches Feld zu messen, das für die Erde ebenso grundlegend ist wie ihre Gravitations- und Magnetfelder.

Vor mehr als 60 Jahren stellten Wissenschaftler erstmals die Hypothese auf, dass ein elektrisches Dipolfeld bestimmt, wie die Atmosphäre unseres Planeten über den Nord- und Südpol der Erde entweicht. Messungen an der Rakete, der Endurance-Mission der NASA, bestätigten die Existenz des elektrischen Dipolfelds und maßen seine Stärke. Dies enthüllte seine Rolle bei der Förderung des atmosphärischen Entweichens und der Bildung der Ionosphäre – einer Schicht der oberen Atmosphäre – im weiteren Sinne.

Das Verständnis der komplexen Bewegungen und Entwicklung der Atmosphäre unseres Planeten liefert nicht nur Hinweise auf die Erdgeschichte, sondern gibt uns auch Einblick in die Geheimnisse anderer Planeten und identifiziert Planeten, die möglicherweise bewohnbar sind. Zu diesem Thema gibt es eine Forschungsarbeit Veröffentlicht Im Magazin Natur.

Ein elektrisches Feld zieht Teilchen in den Weltraum

Seit den späten 1960er Jahren beobachten Raumschiffe, die über die Pole der Erde fliegen, einen Strom von Partikeln, die aus unserer Atmosphäre in den Weltraum strömen. Theoretiker sagten diese Strömung voraus, die sie „Polarwinde“ nannten, und regten die Forschung an, ihre Ursachen zu verstehen.

Es wurde erwartet, dass etwas Luft aus der Atmosphäre entweichen würde. Intensives, ungefiltertes Sonnenlicht sollte dazu führen, dass einige Partikel aus der Luft in den Weltraum entweichen, beispielsweise Dampf, der aus einer Schüssel mit Wasser verdunstet. Aber die beobachteten Polarwinde waren mysteriöser. Viele der Partikel im Inneren waren kalt und es gab keine Anzeichen dafür, dass sie erhitzt waren – dennoch bewegten sie sich mit Überschallgeschwindigkeit.

„Es muss etwas geben, das diese Partikel aus der Atmosphäre zieht“, sagte Glenn Collinson, Hauptforscher für das Endurance-Programm am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, und Hauptautor der Studie. Wissenschaftler vermuten, dass ein noch unentdecktes elektrisches Feld dafür verantwortlich sein könnte.

Es wurde erwartet, dass das hypothetische elektrische Feld, das im subatomaren Maßstab erzeugt wird, unglaublich schwach ist und seine Auswirkungen erst Hunderte von Kilometern entfernt zu spüren sind. Seine Entdeckung lag jahrzehntelang außerhalb der Grenzen der aktuellen Technologie. Im Jahr 2016 begannen Collinson und sein Team mit der Entwicklung eines neuen Instruments, von dem sie glaubten, dass es das Dipolfeld der Erde messen könnte.

Raketenstart vom Nordpol

Die Werkzeuge und Ideen des Teams eigneten sich besser für einen suborbitalen Raketenflug vom Nordpol aus. In Anlehnung an das Schiff, das Ernest Shackleton 1914 auf seiner berühmten Reise in die Antarktis beförderte, nannte das Team seine Mission „Endurance“. Wissenschaftler nehmen Kurs auf Spitzbergen, den norwegischen Archipel, der nur wenige hundert Meilen vom Nordpol entfernt liegt und die Heimat der weltweit größten Raketenreichweite ist.

„Spitzbergen ist der einzige Raketenstartplatz der Welt, wo man durch die Polarwinde fliegen und die Messungen durchführen kann, die wir brauchen“, sagte Susie Imber, Weltraumphysikerin an der Universität Leicester im Vereinigten Königreich und Mitautorin der Studie.

Am 11. Mai 2022 hob die Raumsonde Endurance ab, erreichte eine Höhe von 477,23 Meilen (768,03 km) und landete 19 Minuten später im Grönlandmeer. Über die 322-Meilen-Höhe, in der Daten gesammelt wurden, hat Endurance eine Spannungsänderung von nur 0,55 Volt gemessen.

„Ein halbes Volt ist vernachlässigbar, nicht mehr als die Leistung einer Uhrenbatterie“, sagte Collinson. „Aber es ist die richtige Menge, um die Polarwinde zu erklären.“

Wasserstoffionen, die in Polarwinden am häufigsten vorkommende Teilchenart, sind in diesem Feld einer äußeren Kraft ausgesetzt, die 10,6-mal stärker ist als die Schwerkraft.

„Das ist mehr als genug, um der Schwerkraft zu widerstehen – tatsächlich reicht es aus, um sie mit Hyperschallgeschwindigkeit in den Weltraum zu befördern“, sagte Alex Gloser, Endurance-Projektwissenschaftler am Goddard Center der NASA und Mitautor der Studie.

Auch schwerere Partikel erhalten einen Schub. Sauerstoffionen auf gleicher Höhe, eingetaucht in dieses Halbvoltfeld, wiegen die Hälfte dieses Gewichts. Insgesamt stellte das Team fest, dass das Dipolfeld die sogenannte „Skalenhöhe“ der Ionosphäre um 271 % erhöht, was bedeutet, dass die Ionosphäre in größeren Höhen dichter bleibt, als sie es ohne sie gewesen wäre.

„Es ist wie ein Förderband, das die Atmosphäre in den Weltraum befördert“, fügte Collinson hinzu.

Die Entdeckung der Ausdauer hat viele neue Wege für die Erforschung eröffnet. Das Dipolfeld, als grundlegendes Energiefeld unseres Planeten zusammen mit Schwerkraft und Magnetismus, könnte die Entwicklung unserer Atmosphäre kontinuierlich auf eine Weise geprägt haben, die wir jetzt erforschen können. Da es durch die innere Dynamik der Atmosphäre erzeugt wird, wird erwartet, dass ähnliche elektrische Felder auch auf anderen Planeten, einschließlich Venus und Mars, existieren.

„Jeder Planet mit einer Atmosphäre muss ein Dipolfeld haben. Jetzt, wo wir es endlich messen können, können wir beginnen zu lernen, wie sich unser Planet und andere Planeten im Laufe der Zeit gebildet haben“, sagte Collinson.