Kalte Plasma-Schicht hoch ├╝ber der Erde entdeckt

Es wird lange vermutet, dass kalte, elektrisch geladene Teilchen Zehntausende von Kilometern über der Erdoberfläche existieren, und jetzt haben die Wissenschaftler zum ersten Mal solche Ionen dort entdeckt. Und sie sind in diesen Höhen deutlich häufiger vorhanden als bisher angenommen.

Kälte ist natürlich ein relativer Begriff. Obwohl diese Niedrigenergie-Ionen 1000-mal kälter sind als das, was die Forscher als heißes Plasma betrachten, haben diese Teilchen immer noch eine Energie, die etwa 500.000 Grad Celsius entsprechen würde. Aber weil die Dichte der "kalten" Ionen im Weltraum so niedrig ist, können Satelliten und Raumfahrzeuge durch sie hindurchkreisen, ohne zerstört zu werden.

Wissenschaftler hatten die Ionen in Höhenlagen von etwa 100 Kilometern entdeckt, aber Forscher wollten sie seit Jahrzehnten viel höher suchen, zwischen 12.400 und 60.000 Meilen (20.000 und 100.000 km). Zu wissen, wie viele kalte Ionen sich dort aufhalten, könnte helfen, besser zu verstehen, wie unser Planet mit Stürmen geladener Teilchen aus der Sonne interagiert - wie gestern (24. Januar) -, die Auroras erzeugen, Satelliten beschädigen und manchmal Chaos anrichten Stromnetze auf der Erde.

Das Detektieren von kaltem Plasma in diesen großen Höhen hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Raumfahrzeuge, die weit oben eine elektrische Ladung speichern, aufgrund von Sonnenlicht, das sie dazu bringt, die kalten Ionen abzustoßen.

Der Durchbruch gelang mit einem der vier CLUSTER-Satelliten der Europäischen Weltraumorganisation. Diese sind mit einem Detektor ausgestattet, der aus dünnen Drahtarmen besteht, die das elektrische Feld zwischen ihnen messen, wenn der Satellit rotiert.

"Es ist überraschend, dass wir die kalten Ionen überhaupt mit unserem Instrument gefunden haben", sagte Forscher Mats André, Weltraumwissenschaftler am Schwedischen Institut für Weltraumphysik in Uppsala, gegenüber OurAmazingPlanet. "Es war überhaupt nicht dazu gedacht. Es wurde entwickelt, um elektrische Felder zu beobachten."

"Hässliche" elektrische Felder

Zwei mysteriöse Trends tauchten auf, als die Wissenschaftler Daten von diesen Detektoren analysierten - starke elektrische Felder tauchten in unerwarteten Regionen des Weltraums auf, und während sich das Raumfahrzeug drehte, fluktuierten die Messungen der elektrischen Felder nicht in der sich leicht verändernden Art, die die Forscher erwartet hatten.

"Für einen Wissenschaftler sah es ziemlich hässlich aus", sagte André. "Wir haben versucht herauszufinden, was mit dem Instrument nicht stimmt. Dann haben wir festgestellt, dass mit dem Instrument nichts falsch ist."

Ihre Ergebnisse deuten darauf hin, dass kaltes Plasma elektrische Felder um den Satelliten beeinflusst. Sobald die Wissenschaftler das verstanden hatten, konnten sie messen, wie viel der einmal verborgenen Ionen da waren.

"Je mehr du nach Ionen mit niedriger Energie suchst, desto mehr findest du", sagte André. "Wir wussten nicht, wie viel da draußen war. Es ist mehr als ich selbst dachte."

Obwohl die Konzentration der zuvor verborgenen kalten Ionen variiert, machen die Forscher 50 bis 70 Prozent der Zeit, dass sie den größten Teil der Masse der Höhenzonen ausmachen. Diese bisher schwer zu fassenden niederenergetischen Ionen wurden sogar in Höhen von etwa 100.000 km nachgewiesen, etwa einem Drittel der Entfernung zum Mond. Es ist überraschend, so viele relativ kühle Ionen in diesen Regionen zu finden, weil der Sonnenwind die Höhen der Erde erschüttert.

"Es ist überraschend, dass es so viele kalte Ionen gab", sagte André. "Es gibt schon seit langer Zeit Hinweise auf frühere Raumschiffe, aber ich denke nicht, dass irgendjemand, nicht ich, dachte, dass diese kalte, versteckte Bevölkerung so große Mengen beherrschen könnte, so große Bruchteile der Zeit."

Verlierende Ionen

Weltraumphysiker haben darum gekämpft, genau zu bestimmen, wie viele niederenergetische Ionen den Planeten verlassen. Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass etwa zwei Pfund. (1 Kilogramm) kaltes Plasma entweicht jede Sekunde aus der Erdatmosphäre.

Wenn man weiß, dass die Rate des Verlusts für die Erde Wissenschaftlern helfen könnte, besser zu verstehen, was aus der Atmosphäre des Mars geworden ist, von der angenommen wird, dass sie früher dichter und ähnlicher der Erde war. Die neuen Kaltplasmaergebnisse könnten den Forschern auch dabei helfen, die atmosphärischen Eigenschaften anderer Planeten und Monde zu erklären, einschließlich fremder Welten oder Exoplaneten, sagte André.

"Wenn jemand auf einem Exoplaneten lebt, wollen sie wahrscheinlich eine Atmosphäre, die nicht wegbrennt", sagte André.

Darüber hinaus könnten die Wissenschaftler, wenn sie das kalte Plasma um die Erde herum kartographieren, mehr darüber erfahren, wie es während Sonnenstürmen und anderen Ereignissen reagiert, und unser Verständnis des Weltraumwetters vertiefen. André verglich die Schwaden niederenergetischer Ionen bei unserem vertrauten, bodenständigen Wetter mit einem Tiefdruckgebiet. "Vielleicht möchten Sie wissen, wo das Tiefdruckgebiet liegt, um einen Sturm vorherzusagen", sagte er.

André und sein Kollege Christopher Cully haben ihre Ergebnisse am 23. Dezember in der Fachzeitschrift Geophysical Research Letters beschrieben.

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