Polarwind: Lange vermutetes globales elektrisches Feld der Erde nachgewiesen

Greenbelt (USA) – Daten einer suborbitalen NASA-Rakete liefern erstmals den direkten Nachweis eines planetenweiten elektrischen Feldes, das schon seit Jahrzehnten vermutet wird und als genauso grundlegend für die Erde angesehen gilt wie die Schwerkraft und Magnetfelder unseres Planeten.

Wie das internationale Team um Glyn Collinson vom Goddard Space Flight Center der NASA aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-024-07480-3) berichtet, wird das Feld als das „ambipolare elektrische Feld“ bezeichnet und wurde Wissenschaftlern schon vor über 60 Jahren erstmals als Antrieb für den atmosphärischen Verlust unserer Erde über den Nord- und Südpolen vermutet.

NASA-Rakete liefert Nachweis des Feldes

Erbracht werden konnte nun der Nachweis dieses ambipolaren elektrischen Feldes anhand von Messungen der Rakete der NASA-Mission „Endurance“. Zudem konnte die Mission auch die Stärke des Feldes quantifizieren. Aus den Daten geht auch die Rolle des Feldes beim atmosphärischen Verlust und der Gestaltung der Ionosphäre hervor.

Das Verständnis der komplexen Bewegungen und Entwicklung unserer Atmosphäre liefere nicht nur Hinweise auf die Geschichte der Erde, erläutert die Pressemitteilung des Goodard Space Flight Centers, sondern erlaube auch Einblicke in die Geheimnisse anderer Planeten und helfe dabei zu bestimmen, welche von ihnen möglicherweise lebensfreundlich sind.

Schon seit den späten 1960-er Jahren haben Raumfahrzeuge, die über die Pole der Erde flogen, einen Teilchenstrom festgestellt, der aus der Atmosphäre ins All fließt. Auf der Grundlage dieser Beobachtungen sagten Theoretiker diesen Ausfluss dieses „Polarwindes“ voraus.

Ein Rätselhaftes Feld

Die Vermutung war, das intensives, ungefiltertes Sonnenlicht einige Teilchen aus unserer Atmosphäre in den Weltraum entweichen lassen könnte – ähnlich wie Dampf, der aus einem Topf mit kochendem Wasser entweicht. Doch der beobachtete Polarwind war rätselhafter. Viele der darin enthaltenen Teilchen waren kalt, ohne Anzeichen einer Erhitzung, obwohl sie sich mit Überschallgeschwindigkeit bewegten.

„Etwas musste diese Teilchen aus der Atmosphäre ziehen“, erklärt Collinson. „Wissenschaftler vermuteten, dass ein noch nicht entdecktes elektrisches Feld am Werk sein könnte.“ Das vermutete elektrische Feld, das auf subatomarer Ebene erzeugt werden würde, müsste unglaublich schwach sein, mit Effekten, die nur über Hunderte von Meilen spürbar wären. Nicht zuletzt deshalb war der Nachweis des Feldes jahrzehntelang aufgrund der technischen Grenzen nicht möglich.

Ein sensibleres Instrument liefert den Nachweis

Erst 2016 begann Collinsons Team mit der Entwicklung eines neuen Instruments, das das ambipolare Feld der Erde messen sollte. Am 11. Mai 2022 startete die Mission „Endurance“ im norwegischen Svalbard und erreichte eine Höhe von 768,03 Kilometern, bevor sie 19 Minuten später wieder in der Grönlandsee landete. Über den 519 Kilometer langen Höhenbereich, in dem Daten gesammelt wurden, maß die „Endurance“ eine Änderung des elektrischen Potenzials von nur 0,55 Volt.

„Ein halbes Volt ist fast nichts – es ist nur etwa so stark wie eine Uhrenbatterie“, erläutert Collinson und führt dazu weiter aus: „Aber es ist genau genug, um den Polarwind zu erklären.“ Wasserstoffionen, die häufigste Teilchenart im Polarwind, erfahren demnach eine nach außen gerichtete Kraft von diesem Feld, die 10,6 Mal stärker ist als die Schwerkraft.

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„Das reicht mehr als aus, um die Schwerkraft zu überwinden – tatsächlich reicht es aus, um sie mit Überschallgeschwindigkeit in den Weltraum zu schießen“, fügt Alex Glocer, Endurance-Projektwissenschaftler ebenfalls am Goddard Center und Mitautor der Studie hinzu.

Auch eigentlich schwerere Sauerstoff-Ionen in derselben Höhe wiegen in diesem Halben-Volt-Feld nur halb so viel. Wie die Messdaten und Untersuchungsergebnisse zeigen, erhöhe das ambipolare Feld die sogenannte „Skalenhöhe“ der Ionosphäre um 271 %. Das wiederum bedeutet, dass die Ionosphäre bis in größere Höhen dichter bleibt, als sie es ohne das Feld wäre. „Es ist wie ein Förderband, das die Atmosphäre in den Weltraum hebt“, erläutert Collinson.

Ähnliche elektrische Felder auch auf anderen Planeten

Laut den Forschenden eröffne die Entdeckung zahlreiche neue Wege für die Erforschung: „Neben der Schwerkraft und dem Magnetismus könnte das ambipolare Feld, als fundamentales Energiefeld unseres Planeten, die Entwicklung unserer Atmosphäre kontinuierlich geformt haben, und das in einer Weise, die wir nun beginnen können, zu erforschen.“ Da das Feld durch die inneren Dynamiken einer Atmosphäre erzeugt wird, erwarten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen ähnliche elektrische Felder auch auf anderen Planeten wie etwa Venus und Mars.

„Jeder Planet mit einer Atmosphäre sollte ein ambipolares Feld haben“, sagt Collinson abschließend. „Jetzt, da wir es endlich gemessen haben, können wir beginnen zu lernen, wie es unseren Planeten sowie andere im Laufe der Zeit geformt hat.“

Recherchequelle: NASA

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Andreas Müller

Fachjournalist Anomalistik | Autor | Publizist