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Gammastrahlen aus der Gewitterwolke

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.04.2013 11:56

Irdische Gewitterwolken produzieren nicht nur gewaltige Blitze im sichtbaren Bereich des Spektrums. Per Zufall entdeckten Gammastrahlen-Observatorien, die eigentlich in die Tiefen des Alls spähen sollen, Gammastrahlen-Blitze auch in den oberen Schichten der Atmosphäre. Diese Entladungen übertreffen die sichtbaren Blitze bei weitem an Energie und stellen für Flugzeuge in ihrer Nähe ein Risiko dar. Auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien berichteten jetzt Wissenschaftler über die jüngsten Erkenntnisse.

Ein dunkler Blitz (links) im Vergleich zu einem optischen Blitz (rechts). (Bild: Florida Tech/istockphoto.com)Gammastrahlen-Ausbrüche gehören zu den stärksten Strahlenereignissen im All. Innerhalb von Sekunden überstrahlen sie spielend ganze Galaxien, bis sie nach maximal wenigen Minuten wieder verlöschen. Eine kleine Flotte von Satelliten kreist um die Erde, um diese ungewöhnlichen Ereignisse zu beobachten, denn vom Erdboden aus gelingt das nicht - Gammastrahlen werden von der Atmosphäre weggefiltert. Pionier dieser Observatorien war der amerikanische Satellit Compton, der zwischen 1991 und 2000 die Erde umkreiste.

Kaum hatte er die Arbeit aufgenommen, lieferten seine Instrumente überraschende Daten. Gammastrahlen flammten nicht nur in den Tiefen des Weltraums auf, sondern auch im Rücken des Satelliten. Sie konnten nur aus der Erdatmosphäre stammen, "doch wir verstanden nicht", erinnert sich Joseph Dwyer, Physik-Professor am Florida Institute of Technology, "wie die Atmosphäre eine solche Menge Gammastrahlung in so kurzer Zeit erzeugen kann." Gut 20 Jahre später haben die Physiker eine Erklärung. "Starke Stürme sind so etwas wie Teilchenbeschleuniger", erklärt Marco Tavani, Professor für Weltraumphysik an der römischen Universität Tor Vergata und Chefwissenschaftler des italienischen Gammastrahlenobservatoriums Agile.

Gammastrahlenblitz im Alter von 1,98 Millisekunden, dargestellt nach Messdaten des US-Satelliten Fermi. (Bild: Nasa/GSFC)In den Gewitterzellen, so das Modell, beschleunigen die starken elektrischen Felder Elektronen bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit. Wenn sie miteinander und mit anderen Teilchen zusammenstoßen, wird die Bewegungsenergie schlagartig in Strahlungsenergie umgesetzt und ein Gammastrahl wird ausgesandt. Doch für die Extraenergie, die die Gamma-Ausbrüche brauchen, muss noch ein weiterer Energielieferant hinzukommen. Das sind offenbar Positronen, das Antimateriegegenstück zu den Elektronen, die durch die Sturmzellen ebenfalls erzeugt werden. Treffen Materie und Antimaterie aufeinander, löschen sie sich mit einer gewaltigen Energiefreisetzung, einer Explosion also, aus. Genau das geschieht in den Sturmzellen, wenn auch auf der subatomaren Elektronenebene.

Die Zusatzenergie beschleunigt andere Elektronen, "es gibt positive Rückkopplungsschleifen", so Dwyer, "und so schaukelt sich das ganze innerhalb von Sekunden auf." Am Ende steht eine enorme Entladung, die optisch allerdings kaum zu sehen ist. "Wenn man es beobachtete, sähe man nur ein dunkles, purpurviolettes Leuchten", erklärt Joseph Dwyer, der das Phänomen deshalb auch "dunkler Blitz" nennt. Sie unterscheiden sich nicht nur in Punkto Helligkeit von den bekannten optischen Blitzen. Ihre Entladungskanäle sind auch wesentlich breiter, gleichen eher Zylindern, in denen Gammastrahlen, Elektronen und andere geladene Partikel aus der Gewitterwolke geschleudert werden.

Seit den ersten Beobachtungen durch Compton haben Physiker wie Dwyer und Tavani die Daten ihrer Satelliten nach weiteren Spuren der irdischen Gammastrahlen-Blitze durchforstet, und sie haben etliche gefunden. Große Sturmsysteme scheinen zahlreiche Gamma-Entladungen erzeugen zu können, genau wie sie eine große Zahl Blitze produzieren. Gefunden hat man die Gammastrahlenblitze bislang in den tropischen Regionen, "aber das dürfte ein Messfehler sein", so Tavani, "weil unsere Satelliten vor allem in Äquatornähe fliegen". Es gibt nach Auskunft der Physiker keinen Grund, warum nicht auch Gewitterstürme in höheren Breiten Gammastrahlen-Blitze produzieren sollten.

Atmosphärische Gammablitze, wie sie der US-Satellit Fermi entdeckt hat. (Bild: Nasa/GSFC)Das ist auch der Grund, warum die Blitze nicht nur Physiker interessieren sollten. Flugzeuge in der Nähe der Entladungszylinder können einer nicht zu vernachlässigenden Strahlenbelastung ausgesetzt sein. "Die Belastung für Menschen an Bord kann die Dosis einer Ganzkörper-Tomographie erreichen", erklärt Joseph Dwyer. Eine solche Untersuchung verursacht im ungünstigsten Fall eine Dosis von 26 Millisievert, mehr als das Zehnfache der normalen Jahresbelastung eines in Deutschland lebenden Menschen. Auch die empfindliche Bordelektronik kann Schaden nehmen, denn die Strahlung aus den Gewitterwolken erhöht die Belastung durch schnelle Neutronen innerhalb des Flugzeugs drastisch. Schon die kosmische Strahlung, die normalerweise in die Kabine gelangt, sorgt für eine rund 300-fach höhere Neutronenbelastung als am Erdboden, weil sie mit den Materialien an Bord reagiert und Neutronen aus den Atomen herausschlägt. "Durch die Gammastrahlenblitze kann sich das drastisch erhöhen", so Marco Tavani, und damit auch die Gefahr, dass die Elementarteilchen die empfindlichen Leiterbahnen der Bordelektronik treffen und stören. Eine große Gefahr droht zwar nicht, schließlich ist die Bordelektronik ohnehin aus Sicherheitsgründen mehrfach ausgelegt, und trotz allem gehören atmosphärische Gammablitze nicht zu den häufigen Ereignissen. "Dennoch sollten sie mit Sensoren überwacht werden", warnt Tavani.

Die Gammastrahlen-Satelliten der Astronomen sind dafür weniger geeignet, beobachten sie doch das All und nicht die Erde. Ab 2014 soll deshalb ein spezielles Instrument der Esa an Bord der Internationalen Raumstation das Geschehen in der Atmosphäre beobachten. Doch Forscher wie Dwyer und Tavani denken sogar an ein ganzes Netzwerk von kleinen und preiswerten Mikrosatelliten, die die Entladungen rings um den Erdball protokollieren und so Piloten vor gammablitzträchtigen Gewitterzellen warnen können. Ob und wann eine solche Satellitenflotte allerdings starten wird, steht noch in den Sternen.