Das Magnetfeld der Erde, so stellt sich heraus, ist ein meisterhafter Fallensteller. Es lockt elektrisch geladene Teilchen aus dem Weltraum in einen unsichtbaren, donutförmigen Pferch um unseren Planeten, den sogenannten Ringstrom. Diese gefangene Schar geladener Teilchen spielt eine wichtige Rolle dabei, wie die Erde auf sich ändernde Bedingungen im Weltraum reagiert – Weltraumwetter –, das die Technologie beeinträchtigen kann, auf die wir angewiesen sind, wie Satelliten und Stromnetze. Doch trotz jahrzehntelanger Forschung wissen wir noch immer vieles nicht über diese himmlische Arrestzelle.

Die NASA bereitet den Start einer Mission vor, die eine einzigartige, von innen nach außen gerichtete Sicht auf den Ringstrom bieten soll. Sie heißt STORIE – Storm Time O+ Ring current Imaging Evolution – und soll im Mai an Bord der 34. kommerziellen Versorgungsmission von SpaceX zur Internationalen Raumstation für die NASA starten. Die Mission fliegt als Teil der Nutzlast Space Test Program – Houston 11 (STP-H11), einer Partnerschaft zwischen der US-Weltraumstreitkräfte und der NASA. Sobald sie robotisch an der Außenseite der Raumstation installiert ist (voraussichtlich einige Tage nach ihrer Ankunft), wird STORIE nach außen auf den Ringstrom blicken und Wissenschaftlern helfen, langjährige Fragen darüber zu beantworten, wie er wächst und schrumpft und aus welcher Art von Teilchen er besteht.

„Diese Teilchen haben wichtige Auswirkungen auf das Weltraumwetter“, sagte Alex Glocer, STORIEs leitender Forscher am NASA Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, wo das Instrument entworfen und gebaut wurde. „Wir wollen verstehen, wie diese gefangene Population aufgebaut wird und woher sie kommt.“

Diese Details sind besonders wichtig während Sonnenstürmen, wenn Ausbrüche von der Sonne zu magnetischen Störungen auf der Erde führen können. Ähnlich wie die Van-Allen-Strahlungsgürtel der Erde, aber mit niederenergetischeren Teilchen gefüllt, neigt der Ringstrom dazu, in Größe, Form und Intensität während Sonnenstürmen dramatischer zu schwanken als die Strahlungsgürtel. Außerdem fließen im Ringstrom positiv geladene Teilchen und negativ geladene Teilchen in entgegengesetzte Richtungen, wodurch elektrische Ströme entstehen. Änderungen dort können daher zu magnetischen Schwankungen und induzierten Strömen am Boden führen, die möglicherweise Pipelines und Stromleitungen beeinträchtigen. Der Ringstrom kann auch zum Ladungsaufbau auf der Oberfläche von erdumkreisenden Satelliten beitragen, was zu Störungen in Raumfahrzeugen führen kann. Darüber hinaus wird, wenn die Energie im Ringstrom ansteigt, ein Teil dieser Energie in die obere Atmosphäre übertragen, wodurch sie sich erwärmt, aufbläht und mehr Reibung auf Satelliten erzeugt, was dazu führen kann, dass das Raumfahrzeug früher als erwartet aus der Umlaufbahn fällt.

Es ist jedoch schwierig, den Ringstrom direkt zu untersuchen, da die Teilchen darin unsichtbar sind. „Man kann sie nicht einfach mit einer Kamera abbilden“, erklärte Glocer. Stattdessen wird STORIE nach dem Leuchten von energetischen neutralen Atomen (ENAs) suchen, die entstehen, wenn geladene Teilchen, die im Ringstrom gefangen sind, entkommen können. Die Teilchen verdienen sich ihre Freiheit, indem sie ein Elektron aus der äußeren Atmosphäre der Erde, der sogenannten Exosphäre, stehlen und neutral werden. „Sobald diese geladenen Teilchen neutral werden, spüren sie die Wirkung des Erdmagnetfelds nicht mehr und sind nicht länger gefangen“, sagte Glocer. „Sie können einfach in jede Richtung davonfliegen.“

Durch die Messung der Geschwindigkeit und Richtung der ENAs könnte STORIE helfen, langjährige Fragen über die Herkunft der Teilchen im Ringstrom zu beantworten – ob sie von einem Teilchenstrom geliefert werden, der von der Sonne ausgeht, dem sogenannten Sonnenwind, oder von der Erde. Das STORIE-Team hat das Instrument so ausgelegt, dass es besonders auf positiv geladene Sauerstoffatome (O+) achtet, denn, so Glocer: „Wenn man Sauerstoff sieht, kommt dieser aus der Atmosphäre. Vom Sonnenwind bekommt man sehr wenig davon.“ Wenn STORIE viele Sauerstoffatome findet, werden Wissenschaftler wissen, dass der Ringstrom größtenteils von der Erdatmosphäre und nicht vom Sonnenwind gespeist wird.

Glocer und andere Wissenschaftler wollen auch herausfinden, ob die Population geladener Teilchen im Ringstrom