Analyse von Feinstrukturen in Radiostrahlung der Aurora

Das Polarlicht in seinen verschiedenartigsten Farben und Formen hat die Menschen schon seit Urzeiten fasziniert. Weniger bekannt ist, dass in der sogenannten Aurora neben den Leuchterscheinungen auch Radiostrahlung entsteht, und die Entstehung beider Phänomene hängt ursächlich miteinander zusammen. Geladene Teilchen (Elektronen, Protonen) kreisen im Magnetfeld der Erde und treffen auf die Stickstoff- und Sauerstoffatome der oberen Atmosphäre und bringen sie zum Leuchten. Das verändert die Energieverteilung dieser Elektronen, und die Rückkehr in die ursprüngliche Gleichgewichtsverteilung bedingt einen Energieverlust in Form von Radiostrahlung. Aufgrund der abschirmenden Wirkung der Ionosphäre kann die Radiostrahlung nicht am Boden, sondern nur von Satelliten mit entsprechenden Empfangsgeräten gemessen werden. Unser Projekt über die Analyse von Feinstrukturen in der Radiostrahlung der Aurora beschäftigt sich nicht nur mit der polaren Radiostrahlung der Erde, sondern nimmt auch die gleiche Art von Strahlung in der Nähe der Planeten Jupiter und Saturn ins Visier. Dazu werden die Daten der Raumsonden Cluster (vier Satelliten in der Erdmagnetosphäre), Juno (kreist noch bis Mitte 2021 um Jupiter) und Cassini (kreiste für 13 Jahre bis 2017 um den Saturn) einer genauen Analyse unterzogen. Das Hauptaugenmerk liegt dabei auf den sogenannten Feinstrukturen, und das sind Signaturen im Spektrum von kurzer Dauer (Millisekunden bis Sekunden). Die Radioquellen reihen sich typischerweise im Abstand von einigen Planetenradien entlang der Magnetfeldlinien aneinander und strahlen im Frequenzbereich von einigen Kilohertz bis einigen Megahertz, und je höher die Frequenz, desto näher liegt die Quelle am Planeten. Einige Male wurden die Radioquellen bei allen drei Planeten von den jeweiligen Raumsonden direkt durchflogen, aber auch von der Ferne kann die Einfallsrichtung der Radiowelle von allen drei Raummissionen mit unterschiedlichen Methoden ermittelt werden. Beispielsweise wird bei den vier Cluster-Satelliten die Methode der Triangulation angewendet, die mit den unterschiedlichen Zeitpunkten arbeitet an denen spektrale Feinstrukturen aufgenommen wurden. Daraus können dann die Position, die Größe und die Geschwindigkeit einer elementaren Strahlungsquelle ermittelt werden, was bisher noch nie experimentell realisiert wurde. Ebenso gibt es bis heute keine umfassende statistische Analyse, die das zeitliche und räumliche Auftreten von Feinstrukturen der Radiostrahlung von Jupiter und Saturn untersucht, basierend auf den großen Datensätzen von Juno und Cassini. Ein Hauptziel des Projekts ist die Klassifikation und der Vergleich von spektralen Feinstrukturen der Radiostrahlung von allen drei Planeten (Erde, Jupiter und Saturn). Die geplante Projektdauer beträgt drei Jahre, und es ist ein gemeinsames Projekt des Instituts für Weltraumforschung (Dr. Georg Fischer) in Graz mit dem Institut für Atmosphärische Physik (Dr. Ulrich Taubenschuss) in Prag.

In sehr seltenen Fällen ist das Polarlicht in mittleren Breiten sichtbar, wie es zum Beispiel in Österreich im April und September 2023 der Fall war. Diese sogenannte Aurora entsteht durch geladene Teilchen (hauptsächlich Elektronen), die im Magnetfeld der Erde kreisen und auf die Atmosphäre treffen. Aus der folgenden Ungleichgewichtsverteilung der Elektronen entsteht in noch größerer Höhe auch Radiostrahlung mit Wellenlängen im Bereich von Kilometern, die in unserem Projekt genau untersucht wurde. Dabei lag der Fokus auf den sogenannten Feinstrukturen, das sind geometrische Strukturen im Zeit-Frequenz Spektrum, die ein paar Sekunden andauern. Wir bearbeiteten viele Zeit-Frequenz Spektren der Saturn-Kilometerstrahlung, wie sie von der Raumsonde Cassini beobachtet wurden. Typischerweise geht die Zeit dabei über ein paar Sekunden, die Frequenz bis 100 kHz und die Intensität der Radiostrahlung ist farblich dargestellt. Zu sehen sind dabei flächige aber auch lineare Strukturen mit positiver oder negativer Steigung, und solche Strukturen sind von uns für die Kilometerstrahlung der Erde und des Saturn erstmals systematisch klassifiziert und in ihrer Häufigkeit erfasst worden. Dabei zeigte sich beispielsweise, dass die Feinstrukturen der Radiostrahlung der Aurora auf Saturn und auf der Erde sehr ähnlich sind, und dass bandartige Strukturen sehr häufig eine positive Steigung aufweisen, während Strukturen die als "Streifen oder Regen" bezeichnet wurden zumeist eine negative Steigung aufweisen. Die positive und negative Steigung entspricht einer absteigenden bzw. aufsteigenden Bewegung der Radioquelle im Magnetfeld, und auch oszillierende Strukturen wurden besonders in der Radiostrahlung der Erde entdeckt. All diese experimentellen Details lassen gewisse Rückschlüsse auf die verschiedenen, zahlreichen Theorien zur Feinstruktur der auroralen Radiostrahlung zu. In weiterer Folge wurden auch "gröbere" Strukturen der Radiostrahlung untersucht, die mehrere Minuten bis Stunden andauern können. Eine solche besondere Struktur wurde von uns in der Saturn-Kilometerstrahlung entdeckt, und mit dem Namen "Caterpillar" für Raupe (siehe Bild) bezeichnet. An die 600 "Raupen" wurden in 13 Jahren Radiodaten von Cassini entdeckt und analysiert, die unterhalb von 40 kHz auftreten, eine Bandbreite von 10-15 kHz haben und deren Grad der Polarisation geringer ist als die normalerweise vollständig polarisierte Saturn- Kilometerstrahlung. Im Rahmen internationaler Zusammenarbeit konnte eine weitere besondere Struktur in der Radiostrahlung des Saturn identifiziert werden, die mit dem Namen SAM für "Saturn Anomalous Myriametric radiation" getauft wurde. Weiters konnte durch eine Untersuchung der groben Strukturen der Breitbandkilometerstrahlung von Jupiter auf eine Abstrahlung durch offene und nicht geschlossene Emissionskegel gefolgert werden.