Atmosphärenphysik: Gammablitze aus der guten Stube
Da suchen Astronomen seit Jahren nach den Quellen von Gammastrahlenausbrüchen im Weltall - und hätten fast übersehen, dass die Erde selbst hochenergetische Blitze abstrahlt. Was zunächst wie eine skurrile Rarität wirkte, ist offenbar natürliche Alltäglichkeit. Auch wenn bislang niemand so genau weiß, wo und wie diese Gammastrahlen eigentlich entstehen.
Es muss schon ein heftiges Ereignis sein, das hochenergetische Gammastrahlen aussendet. Im Weltall passiert dies beispielsweise, wenn Neutronensterne oder Schwarze Löcher entstehen. Lange Zeit waren die dabei auftretenden so genannten Gammastrahlen-Ausbrüche eines der großen Rätsel der Astronomie. Erst als die Zahl der Beobachtungen und Daten zunahm, konnten Wissenschaftler schlüssig den Zusammenhang zwischen den Gammablitzen und dem Sterben eines massereichen Sterns belegen. Nicht zuletzt dank Batse – dem Burst and Transient Source Experiment an Bord des Gammastrahlen-Observatoriums Compton.
Doch nicht alles, was Batse aus der Erdumlaufbahn zum Boden funkte, trug zur Lösung von Fragen bei. Im Jahre 1994 warfen Messungen ein noch viel schwierigeres Rätsel auf: Die Detektoren hatten Gammablitze entdeckt, die aus der Erdatmosphäre stammten. Die Gesamtenergie dieser terrestrischen Gammastrahlenblitze (terrestrial gamma-ray flashes, (TGFs) war natürlich niedriger als bei den kosmischen Vorgängen – die Energie ihrer Photonen lag aber ebenso hoch wie bei den Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Wo kam diese Gammastrahlung her?
Batse war damit überfragt. Sie konnte nur einzelne Blitze zählen und die maximale Energie bestimmen. Erst neue Beobachtungen mit dem Satelliten Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (Rhessi) weisen nun eine Richtung. Ein Team von Wissenschaftlern um David Smith von der University of California in Santa Cruz suchte die Daten von drei Monaten nach Anzeichen von TGFs ab und fand heraus, dass die Blitze alles andere als eine Rarität am Himmel sind. Durchschnittlich 50mal am Tag schießt die Atmosphäre für 0,2 bis 3,5 Millisekunden Dauer Gammastrahlen in das Weltall. Und die Anzahl könnte sogar noch bis zu 100mal höher sein, sollte die Strahlung tatsächlich gebündelt abgegeben werden, wie manche Modelle aussagen.
Die energiereichsten Photonen eines Blitzes sind mit zehn bis zwanzig MeV etwa 300mal so stark wie medizinische Röntgenstrahlen. Um diese Strahlung zu emittieren, müssten Elektronen auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden – eine Aufgabe, die am Boden allenfalls in riesigen Teilchenbeschleunigern zu leisten wäre. Aber in der Atmosphäre? Was könnte dort diese gewaltigen Energien aufbringen?
Ein Vergleich der Orte von Gammablitzen mit der globalen Verteilung schwerer Gewitter lässt vermuten, dass es eine Verbindung von gewöhnlichen Blitzen und ihren Hochenergie-Verwandten gibt. Der genaue Mechanismus ist zwar noch unbekannt, doch womöglich baut sich in den obersten Bereichen von Gewitterwolken eine elektrische Ladung auf. Dadurch kommt es zu einer Spannung zwischen Wolkenspitze und der höher liegenden Ionosphäre der Atmosphäre. In diesen Regionen haben Satelliten und Raumfähren bereits andere Erscheinungen wie rote Sprites und blaue Jets beobachtet, die ebenfalls Gewitter begleiten. Eine ganze Sammlung seltsamer Blitze also, die alle noch immer ihre Geheimnisse haben.
So bleibt vor allem eine Erkenntnis: Die Erde ist gar nicht so ruhig und friedlich, wie sie auf den ersten Blick scheint. Spätestens in einem starken Gewitter geht es heftiger ab, als unsere Schulweisheit sich träumen lässt.
Doch nicht alles, was Batse aus der Erdumlaufbahn zum Boden funkte, trug zur Lösung von Fragen bei. Im Jahre 1994 warfen Messungen ein noch viel schwierigeres Rätsel auf: Die Detektoren hatten Gammablitze entdeckt, die aus der Erdatmosphäre stammten. Die Gesamtenergie dieser terrestrischen Gammastrahlenblitze (terrestrial gamma-ray flashes, (TGFs) war natürlich niedriger als bei den kosmischen Vorgängen – die Energie ihrer Photonen lag aber ebenso hoch wie bei den Schwarzen Löchern und Neutronensternen. Wo kam diese Gammastrahlung her?
Batse war damit überfragt. Sie konnte nur einzelne Blitze zählen und die maximale Energie bestimmen. Erst neue Beobachtungen mit dem Satelliten Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager (Rhessi) weisen nun eine Richtung. Ein Team von Wissenschaftlern um David Smith von der University of California in Santa Cruz suchte die Daten von drei Monaten nach Anzeichen von TGFs ab und fand heraus, dass die Blitze alles andere als eine Rarität am Himmel sind. Durchschnittlich 50mal am Tag schießt die Atmosphäre für 0,2 bis 3,5 Millisekunden Dauer Gammastrahlen in das Weltall. Und die Anzahl könnte sogar noch bis zu 100mal höher sein, sollte die Strahlung tatsächlich gebündelt abgegeben werden, wie manche Modelle aussagen.
Die energiereichsten Photonen eines Blitzes sind mit zehn bis zwanzig MeV etwa 300mal so stark wie medizinische Röntgenstrahlen. Um diese Strahlung zu emittieren, müssten Elektronen auf 99,99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden – eine Aufgabe, die am Boden allenfalls in riesigen Teilchenbeschleunigern zu leisten wäre. Aber in der Atmosphäre? Was könnte dort diese gewaltigen Energien aufbringen?
Ein Vergleich der Orte von Gammablitzen mit der globalen Verteilung schwerer Gewitter lässt vermuten, dass es eine Verbindung von gewöhnlichen Blitzen und ihren Hochenergie-Verwandten gibt. Der genaue Mechanismus ist zwar noch unbekannt, doch womöglich baut sich in den obersten Bereichen von Gewitterwolken eine elektrische Ladung auf. Dadurch kommt es zu einer Spannung zwischen Wolkenspitze und der höher liegenden Ionosphäre der Atmosphäre. In diesen Regionen haben Satelliten und Raumfähren bereits andere Erscheinungen wie rote Sprites und blaue Jets beobachtet, die ebenfalls Gewitter begleiten. Eine ganze Sammlung seltsamer Blitze also, die alle noch immer ihre Geheimnisse haben.
So bleibt vor allem eine Erkenntnis: Die Erde ist gar nicht so ruhig und friedlich, wie sie auf den ersten Blick scheint. Spätestens in einem starken Gewitter geht es heftiger ab, als unsere Schulweisheit sich träumen lässt.
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