3. Die Erde - Sonne - Connection

Es gibt wohl niemanden auf der Welt, der sich nicht nach den wärmenden Strahlen der Sonne sehnt. Die Sonne ist aber nicht nur die Quelle von Licht und Wärme. Von ihr geht auch ein kontinuierlicher Teilchenstrom aus, der Sonnenwind. Diese im Wesentlichen aus Protonen und Elektronen bestehende Strahlung wäre in hohem Maße lebensfeindlich, wenn sie bis zur Oberfläche der Erde gelangen würde. Dass dies nicht geschieht, ist dem Erdmagnetfeld zu verdanken. Es erstreckt sich weit in den Weltraum hinaus und schützt unseren Planeten wie ein unsichtbarer Käfig weitestgehend vor den schädlichen Auswirkungen dieses Teilchenbombardements.

Im Fokus: die Magnetosphäre

Die Umlaufbahnen der Cluster-Satelliten verlaufen über die beiden Erdpole, wobei der Abstand zur Erde zwischen 19 000 und 119 000 Kilometer variiert. Dabei fliegen sie durch die interessantesten Gebiete des erdnahen Weltraums: den vom Magnetfeld der Erde dominierten Bereich der Magnetosphäre, die Regionen des Sonnenwindes, in denen ein von der Sonne ausgehender beständiger Strom ionisierter Materie anzutreffen ist und die Grenzschichten zwischen diesen Gebieten. Hierbei stehen vier Bereiche der Magnetosphäre immer wieder im Mittelpunkt der Untersuchungen: die sonnenzugewandte Bugstoßwelle, der sonnenabgewandte Magnetosphärenschweif, die polaren Cusp-Regionen und die Magnetopause. Die simultane Messung an vier Punkten ermöglicht die exakte Unterscheidung räumlicher und zeitlicher Effekte, sodass grundlegend neue Einblicke in die Prozesse der Erdmagnetosphäre möglich werden.

Die Magnetosphäre wird durch den anströmenden Sonnenwind geformt und ständig durchgeschüttelt. Während die mit der Erde umlaufende Magnetosphäre stets in Sonnenrichtung orientiert ist, wandern die Satellitenbahnen zusammen mit der Erde um die Sonne. Auf diese Weise erfasst das Cluster-Quartett im Verlauf eines Jahres alle erdnahen Bereiche der Magnetosphäre von der sonnenzugewandten Bugstoßwelle bis zum sonnenabgewandten Magnetosphärenschweif. Bei letzterem kommt es häufig zum Aufbrechen und Wiederverschmelzen von Magnetfeldlinien, wobei viel Energie freigesetzt wird – nur eine von vielen neuen Erkenntnissen des Quartetts.

Die Untersuchungen der Cluster-Flotte haben aber auch gezeigt, dass die Magnetosphäre einen viel komplexeren Aufbau aufweist, als bislang angenommen. Vor allem ist sie kein statisches Gebilde, sondern ändert ihre Form unter dem Einfluss der Sonnenaktivität. Dabei treibt der vorbeiströmende Sonnenwind komplizierte Stromsysteme im Inneren der Magnetosphäre an.

Cusp-Crossing

Ein wichtiger Untersuchungsbereich der Cluster-Flotte ist die Polar-Cusp. Sie stellt eine äußerst interessante Region in hohen magnetischen Breiten und mit besonders starker Wechselwirkung zwischen Erdmagnetfeld und Sonnenwind dar. Als polare Cusp-Regionen werden jene Bereiche in der Nähe des Nord- und Südpols bezeichnet, bei denen die Magnetfeldlinien trichterförmig zu den beiden Polen verlaufen.

Die Polar-Cusp ist eine pulsierende Schnittstelle, die Magnetfeldlinienbereiche sowohl zeitlich als auch räumlich trennt. Tagseitig schließen sich hier die Magnetfeldlinien, nachtseitig gehen sie in den Magnetosphärenschweif über. Die Cusp-Region ist auch jenes Gebiet, in das energetische Teilchen aus dem interplanetaren Raum nahezu mühelos in die Magnetosphäre und Atmosphäre der Erde gelangen können.

Während des jeweils rund zweimonatigen Cusp-Crossings – des Formationsfluges der vier Raumsonden in nahezu idealer Tetraederform mit einem Satellitenabstand von 600 Kilometern zueinander – werden vor allem die zeitlichen Variationen der solar-terrestrischen Beziehungen erfasst. Aufgrund der Gesetze der Himmelsmechanik bleibt eine einmal erreichte Konstellation nicht automatisch erhalten. Wenn die ESOC-Spezialisten die Cluster-Flotte in komplizierten Verfahren langsam zur nächsten Position führen, unterliegt naturgemäß auch die Form des Tetraeders einem höchst dynamischen Wandel. Die Idealform des Tetraeders ist daher nur zu den Sonderkonstellationen – Cusp- und Tail-Crossing – geplant.

Beim Tail-Crossing, dem Cusp-Gegenstück, befindet sich das Cluster-Quartett im sonnenabgewandten Teil des Magnetfeldes. Bei diesem Highlight liegt der Satelliten-Abstand bei 2000 Kilometern.

Grundlagenforschung

Neben den vom Cluster-Quartett untersuchten Regionen im erdnahen Raum steht eine Reihe physikalischer Phänomene im Zentrum des wissenschaftlichen Interesses. Hierzu gehören:

• Die magnetische Feldlinienverschmelzung (Rekonnexion).
  Das ist ein Prozess, bei dem sich die Feldlinien des interplanetaren Magnetfeldes mit den Feldlinien des Erdmagnetfeldes verbinden.
• Die stoßfreie Wechselwirkung in extraterrestrischen Plasmen.
  Die Wechselwirkung des „Sonnenwindplasmas“ mit dem Erdmagnetfeld gibt der Magnetosphäre ihre Gestalt.
• Der nachtseitig auftretende magnetosphärische Teilsturm.
  Das ist ein Phänomen, das zu einem Kollaps des Magnetosphärenschweifes führt – ähnlich den Schweifabtrennungen bei Kometen.