Van-Allen-Gürtel

Van-Allen-Strahlungsgürtel

Der Van-Allen-Strahlungsgürtel (benannt nach James Van Allen) ist ein Ring (Torus) energiereicher geladener Teilchen, die durch das magnetische Feld der Erde eingefangen werden. Diese Teilchen stammen überwiegend vom Sonnenwind und der kosmischen Strahlung. Der Gürtel besteht im Wesentlichen aus zwei Strahlungszonen: Die innere von ihnen erstreckt sich in niedrigen geografischen Breiten in einem Bereich von etwa 700 bis 6.000 Kilometer über der Erdoberfläche und besteht hauptsächlich aus hochenergetischen Protonen. Die zweite befindet sich in etwa 15.000 bis 25.000 Kilometer Höhe und enthält vorwiegend Elektronen. Seine Entdeckung ist auf den 31. Januar 1958 datiert.

Die geladenen kosmischen Teilchen werden im Van-Allen-Gürtel durch das Magnetfeld der Erde infolge der Lorentzkraft abgelenkt, in einer sogenannten magnetischen Flasche eingeschlossen und schwingen so zwischen den Polen der Erde mit einer Schwingungsdauer von etwa einer Sekunde hin und her.

Nachweis

DDR-Sondermarke „Erforschung der Strahlungsgürtel“ aus dem Jahr 1964

Wenn der Gürtel überladen wird, streifen die Partikel die obere Erdatmosphäre und regen diese zum Fluoreszieren an, wodurch das Polarlicht entsteht. Das Vorhandensein eines Strahlungsgürtels wurde schon vor dem Weltraumzeitalter vermutet. Bestätigt wurde die Theorie am 31. Januar 1958 durch die Mission von Explorer 1 und durch die Folgemissionen Explorer III, die von James Van Allen geleitet wurden. Weitere Explorer-Missionen konnten die Teilchen kartieren.

Strahlungsgürtel (e: Elektronen; p: Protonen)

Der Begriff Van-Allen-Gürtel bezieht sich speziell auf den Strahlungsgürtel um die Erde, obwohl auch andere Planeten von ähnlichen Gürteln umgeben sind.

Die Grafik veranschaulicht die Verteilung der Teilchendichte um die Erde. Hochenergetische Protonen (oberes Bild), konzentrieren sich im inneren Strahlungsgürtel oberhalb von 3.000 und 6.000 km der Erdoberfläche. Energiereiche Elektronen (unten) verstärken den inneren und bilden den äußeren Strahlungsgürtel um 25.000 km Höhe. Die Teilchendichte der Elektronen mit einer Energie von mehr als 0,5 MeV und Protonen mit mehr als 10 MeV liegt in der Größenordnung von 10⁶ Teilchen/(cm²·s). Die Ionisations-Strahlenbelastung durch Elektronen auf elektrische Bauteile liegt bei 0,1 bis 1 krad/h (1 bis 10 Gy/h), durch Protonen (hinter 1 cm Aluminium-Abschirmung) zwei Größenordnungen niedriger.

Im Rahmen des Pamela-Experimentes wurde im Jahr 2011 nachgewiesen, dass im inneren Strahlungsgürtel der Magnetosphäre eine Anhäufung von Antimaterie existiert.^[1] Die detektierten Antiprotonen entstehen vermutlich bei der Kollision hochenergetischer kosmischer Strahlung mit der Erdatmosphäre.^[2][3]

Strahlenbelastung

Energiedosis hinter einer Aluminium-Abschirmung variabler Dicke in ca. 38.000 km Höhe.

Die Äquivalentdosis der Strahlung beider Hauptzonen beträgt hinter 3 mm dickem Aluminium unter extremen Umständen bis zu 200 mSv/h (Millisievert pro Stunde) im Kernbereich des inneren Gürtels und bis zu 50 mSv/h im Kernbereich des äußeren Gürtels. Als Normwerte gelten im gesamten Van-Allen-Gürtel 0,7-1,5 mSv pro Tag (effektive Dosis), diese Diskrepanz lässt sich zum einen durch die verschiedenen Messmethoden erklären, zum anderen aber auch durch die Abhängigkeit der Strahlung von den starken Schwankungen der Sonnenaktivität. Dadurch können mitunter 1000-mal höhere Werte gemessen werden. Auf der Erde ist die Strahlung des inneren Van-Allen-Gürtels im Bereich der Südatlantischen Anomalie deutlich zu beobachten.

Zum Vergleich: In Europa beträgt die mittlere Strahlungsdosis auf Meereshöhe etwa 2 mSv/a ≈ 0,2 µSv/h.

Bedeutung für die Raumfahrt

Bemannte Raumfahrt

Die Intensität der Strahlung innerhalb des Van-Allen-Gürtels kann räumlich und zeitlich begrenzt gesundheitsgefährdende Werte erreichen. Daher darf der Aspekt des Strahlenschutzes bei bemannten Raumfahrtmissionen im Erdorbit nicht vernachlässigt werden. Wie groß die Belastung für den menschlichen Organismus ist, hängt von der Sonnenaktivität, der Beschaffenheit der Raumfahrzeughülle, der Trajektorie und der Bahngeschwindigkeit beziehungsweise der Missionsdauer ab.

Messgeräte

Astronomische Messgeräte wie das Röntgenteleskop Chandra können nur außerhalb des Strahlungsgürtels sinnvolle Daten liefern und müssen deshalb auf entsprechend hohe Umlaufbahnen gebracht werden.

Literatur

• Richard B. Horne, (et al.): Wave acceleration of electrons in the Van Allen radiation belts. In: Nature. Band 437, 2005, doi:10.1038/nature03939, S. 227-230.
• D. N. Baker, (et al.): An extreme distortion of the Van Allen belt arising from the 'Hallowe'en' solar storm in 2003. In: Nature. Band 432, 2004, doi:10.1038/nature03116, S. 878-881.

Weblinks

• Grafik zum Van-Allen-Gürtel
• The Van Allen Belt
• Earth's Radiation Belts with Safe Zone Orbit NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio

Einzelnachweise