James Van Allen (1914 - 2006)


James Van Allen im Smithsonian National Air and Space Museum in Washington. Im Hintergrund oben schwebt ein Modell der ersten US-Raumsonde Explorer 1.
Foto: NASA


Das Magnetfeld der Erde, das sich durch die rasche Rotation des Planeten wie bei einem Dynamo aufbaut (zur Verdeutlichung in der Mitte ein fiktiver Stabmagnet). Bei den violetten Doppelwülsten handelt es sich um die von Van Allen entdeckten, hochenergetischen Strahlungsgürtel, die sich entlang der Magnetfeldlinien um die Erde ziehen. Die Sonde Explorer 1 ist rechts durch das schmale Stäbchen auf der weißen Umlaufbahn angedeutet.
Foto: NASA

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29-08-2006
Update 13-11-2012

Der Mann, der die Strahlungsgürtel der Erde entdeckte

Der amerikanische Physiker und Raumfahrtpionier James Van Allen starb am 9. August 2006

 

Von Christel Heybrock

 

Er war offenbar eine seltene Mischung aus kernigem Realitätssinn und dem Urtrieb, die Grenzen des Wissens zu sprengen. James Van Allen, der 1958 die Strahlungsgürtel rund um die Erde nachwies und ihnen seinen Namen gab, starb im gesegneten Alter von fast 92 Jahren in Iowa City/USA am 9. August 2006.

 

Vielleicht muss man ja wirklich in der Tradition einer amerikanischen Siedlerfamilie zur Welt kommen, um praktisches und utopisches Denken so genial miteinander zu verschmelzen. Geboren am 7. September 1914 in Mount Pleasant/Iowa als zweiter von vier Söhnen, wuchs James Van Allen in einem Milieu auf, das Leistung und Selbstbehauptung forderte und dafür eine unaufwändige, aber solide Lebensführung sicherte. Der Vater war Anwalt und unterhielt eine kleine Kanzlei in dem 3000-Seelen-Ort, während die Mutter, vor der Heirat Lehrerin in ländlichen Einklassenschulen, die Familie mit selbstgebackenem Brot, eingemachtem Obst und Gemüse sowie heilkundlichem Geschick durch die Gefahren des Alltags steuerte.

 

Bildung, so schrieb Van Allen in seinem autobiographischen Abriss „What Is A Space Scientist?“, sei das Fundament seiner Kindheit gewesen. Nicht nur, dass er gerne zur Schule gegangen sei (die Lehrer waren meist unverheiratete jüngere oder ältere Damen) – auch der Vater habe seine Sprösslinge jeden Abend nach dem Essen mit Vorlesungen aus naturwissenschaftlichen Büchern und Zeitschriften fasziniert. James, angeregt durch seine Lieblingsmagazine, experimentierte sogar heftig mit selbstgebauten Elektromotoren, Radioempfängern und gefährlichen, unter Strom stehenden Drahtspulen, die zum Schrecken seiner Mutter dem jungen Tüftler nicht nur die Haare zu Berge stehen ließen, sondern auch für elektrische Entladungen von Meterlänge sorgten.

 

Auch Van Allens akademische Laufbahn nach der Schulzeit ließ sich verblüffend praktisch an. Außer einem einzigen Einführungskurs in Astronomie schrieb er sich bei dem Chemiker Delbert Wobbe und dem Physiker Thomas Poulter ein, und in Poulters Hochdrucklabor lernte er Glasblasen, den Umgang mit einer Drehbank sowie Löten und Schweißen. Als Poulter dann Chefwissenschaftler einer Antarktisexpedition wurde, war Van Allen intensiv an den Vorbereitungen beteiligt, beispielsweise am Bau eines Seismographen. Ein vom Carnegie Institut in Washington entliehenes Feldmagnetometer, dessen Präzision er mit Messungen testen sollte, beeindruckte ihn so tief, dass er es noch in seinen Erinnerungen als „eines der schönsten Instrumente, die ich je sah“ beschrieb – pures theoretisches Wissen war Van Allen nie genug.

 

Als es galt, im August 1932 den Meteorstrom der Perseiden zu beobachten, platzierte er ein von Universitätsprofessoren entworfenes und aus verschweißten Stangen konstruiertes Beobachtungsgerät hinter seinem Haus, kooperierte mit einem in bestimmter Entfernung postierten Kollegen und hatte das Gefühl, zum ersten Mal einer Präzisions-Meteormessung zum Erfolg verholfen zu haben – was er aber nachträglich ganz unverklemmt als Irrtum bezeichnete. Auch das gehörte zu seiner Persönlichkeit: eine gesunde Portion Selbstironie und die Fähigkeit, Fehler einzugestehen. 1939 machte er an der Universität Iowa seinen Doktor über ein Thema aus der Nuklearphysik. Sogar der berühmte Physiker Hans Bethe interessierte sich für die Arbeit, meinte aber, der hoffnungsvolle Jungwissenschaftler müsse sich mit seinen Berechnungen irgendwo geirrt haben ... worauf dieser, total irritiert, nachprüfte – und Bethe bestätigen musste.

 

Van Allens wachsendem Ruf als talentierter Physiker taten eben diese Eingeständnisse keinen Abbruch. Nachdem Otto Hahn und Fritz Strassmann 1938 in Deutschland die Kernspaltung entdeckt hatten, widmete sich das Department of Terrestrial Magnetism (DTM) am Washingtoner Carnegie Institut intensiv der Nuklearforschung und zog Van Allen heran, der hier Gelegenheit hatte, die traditionelle Forschung über Geomagnetismus, Kosmische Strahlung, Polarlichter- und Ionosphären-Physik mit der aktuellen Nuklearphysik zu kombinieren. Hinzu kam, dass in Europa der Zweite Weltkrieg ausgebrochen war und Van Allen am DTM auch in die militärische Forschung eingebunden wurde: Er entwickelte Annäherungszünder auf fotoelektrischer und Radiofrequenz gesteuerter Basis in Bomben, Raketen und Schusswaffen. Zum ersten Mal, so Van Allen in seiner Autobiographie, habe er unter Zeitdruck gestanden, wobei Geld aber keine Rolle gespielt habe: Sein Chef Merle Tuve, der am DTM unter anderem einen Ionenbeschleuniger konstruiert hatte, drängelte: „Ich habe keine Lust, dass Sie Ihre Zeit hier mit Geldsparen vergeuden!“

 

Das Team der Annäherungszünder-Konstrukteure („proximity fuze“) wuchs dem DTM bald über den Kopf und wechselte zur John Hopkins Universität, die 1942 in Maryland eine große Chevrolet-Garage mietete und das Labor für Angewandte Physik einrichtete (Applied Physics Laboratory). Van Allen sollte hier vor allem das Wunderwerk eines Vakuumrohrs entwickeln, das in seinem Innern einer Projektil-Beschleunigung vom etwa Zwanzigtausendfachen der Erdgravitation standhalten konnte. Er war froh, im Juli 1942 außerdem zum Deputy Sheriff ernannt zu werden – es ermöglichte ihm, eine Waffe zu tragen, um das Testgelände vor rabiaten Einbrechern zu schützen. Immerhin waren die Waffenabwehrsysteme auf der Grundlage von Annäherungszündern bald so weit entwickelt, dass sie in der Pazifikflotte eingesetzt wurden, was für Van Allen 1943 zur direkten Beteiligung an militärischen Operationen führte. Sein Dienst als Marineoffizier sei, gerade wegen des ungewohnten und unerwarteten Aufgabenbereichs, die größte Perspektivenerweiterung seines Lebens gewesen, schrieb Van Allen später in seiner Autobiographie. Er habe in der Realität statt im Labor Verantwortung über Leben und Tod gehabt und lernen müssen, klare Entscheidungen in völlig unklaren Situationen zu fällen.

 

Dennoch begann seine steile Karriere als Pionier der amerikanischen Raumfahrt erst nach dem Krieg. Ausgangspunkt war dabei die von den Nazis entwickelte deutsche V 2-Rakete, die sich nun zur Erforschung der Hochatmosphäre nutzen ließ, und zwar mit wesentlichen Verbesserungen in Kombination mit der amerikanischen Aerobee. Zwischen 1946 und 1951, so Van Allen, starteten 48 V 2-Raketen und 30 Aerobees mit wissenschaftlichen Instrumenten zur Erkundung des Erdmagnetfelds, der kosmischen Strahlung, der UV-Strahlung der Sonne, des Atmosphären-Ozons und der Ionosphäre. Zudem ließen sich erstmals ausgedehnte Wolkenfelder aus großer Höhe fotografieren. Die Aerobees wurden lange fortgesetzt, bis 1985 gab es 1037 Starts. Van Allen kehrte 1951 an die Universität Iowa zurück und entwickelte die Rockoon-Rakete, die mit einem Ballon aufsteigt und erst in den Höhenbereichen niedrigen Luftdrucks gezündet wird, um größtmögliche Höhe zu erreichen. Auch mit dieser Energie und Kosten sparenden Einrichtung wurde mehrere Jahrzehnte gearbeitet, unter anderem in den besonders interessanten polaren Breitengraden.

 

Amerikas erste Raumsonde Explorer 1, mit entwickelt von James Van Allen (Mitte). Beteiligt an der Konstruktion waren außerdem William Pickering (links) und Wernher von Braun. Das Foto, auf dem die kleine Sonde stolz wie eine Trophäe präsentiert wird, entstand bei der Pressekonferenz anlässlich des Explorer-Starts (31. Januar oder 1. Februar 1958).
Foto: NASA 

 

Der Schock, als im Oktober 1957 die Sowjets den ersten künstlichen Satelliten in den Orbit brachten („Sputnik 1“ sollte Dichte und Temperatur der Hochatmosphäre messen), beschleunigte ähnliche Planungen in den USA. Im Rahmen des Internationalen Jahres der Geophysik 1957/1958 schossen die Amerikaner glücklich am 31. Januar 1958 die Sonde „Explorer 1“ in die Umlaufbahn – Van Allen war an ihrer Entwicklung führend beteiligt und hatte sie mit seinem bewährten Geigerzähler zur Messung radioaktiver Teilchen ausgestattet. Die nun in rascher Folge startenden „Explorer“-Sonden bestätigten, was er bereits vermutet, aber in derart dramatischen Auswirkungen nicht erwartet hatte: Die Erde schwebt keineswegs im leeren Raum, sondern ist umgeben von hochenergetischen Strahlungsfeldern. Der Weltraum ist radioaktiv! Das Erdmagnetfeld fängt geladene Teilchen aus dem All ein und schützt zugleich das Leben „unten“ vor ihnen. Die Strahlungsgürtel stehen unter Dauerbeschuss des Sonnenwindes und werden häufig auch attackiert von hochenergetischen koronalen Teilchenauswürfen der Sonne (coronal mass ejections), so dass sie mitunter dramatisch anschwellen. 

 

In etwa 6000 km Höhe ziehen sich kosmische Partikel und Sonnenwind-Teilchen wie ein ringförmiger Strahlenwulst entlang der magnetischen Feldlinien um den Äquator, und ein zweiter Strahlungsgürtel innerhalb des ausgedehnten Erdmagnetfelds erstreckt sich in einer Höhe zwischen 15.000 und 25.000 km vom Äquator bis zu den Erdpolen, wo dann die meist von der Sonne stammenden Teilchen mit der Erdatmosphäre kollidieren und bei Überladung Polarlichter erzeugen. Wie kompliziert diese Wechselwirkungen sind, daran wird immer noch geforscht, unter anderem seit 2001 mit den Cluster-Sonden, die das Phänomen erstmals im Formationsflug erkunden. Insgesamt haben die Van-Allen-Gürtel einen Durchmesser von 45.000 km, wobei die Intensität der Strahlung von der Sonnenaktivität abhängig ist. An einer Stelle auf der Erde kommt der Strahlungsgürtel gefährlich nah an die Oberfläche - schon der Forscher Alexander von Humboldt stellte um 1830 fest, dass das Erdmagnetfeld überm südlichen Atlantik deutlich schwächer ist - es handelt sich um die Südatlantische Anomalie, die ab 2010 von den ESA-Satelliten des SWARM-Programms untersucht werden soll. Das Zentrum der Anomalie liegt im Meer vor der brasilianischen Küste und Ursache ist die Tatsache, dass die Magnetachse der Erde nicht identisch mit ihrer Rotationsachse, sondern um 450 km davon verschoben ist, so dass es im Südatlantik eine Schwachstelle gibt. Noch dazu wandert diese Schwachstelle jedes Jahr um 0,3 Grad nach Westen - auch die Erde ist als ziemlich lebendiger Planet immer noch für Überraschungen gut.

 

Die „Explorer“-Missionen und die Existenz der Van-Allen-Strahlungsgürtel veränderten grundlegend das Bild, das wir von unserem Heimatplaneten haben. Van Allen aber ließ nicht nach und bewies durch Beteiligung an zahlreichen weiteren Missionen (unter anderem Pioneer, Mariner und Voyager), dass es Strahlungsgürtel auch bei anderen Planeten mit starkem Magnetfeld gibt, so bei Jupiter und Saturn. Sogar an der 1989 gestarteten Galileo-Mission zur Erforschung des Jupiter-Systems war der damals 75-Jährige noch beteiligt. Van Allen hat als Principal Investigator an insgesamt 24 Missionen teilgenommen, 1979 entdeckte er einen der Saturn-Monde.

 

Eines aber lehnte er schlankweg als populistischen Blödsinn ab – die bemannte Raumfahrt, wie sie 2004 von US-Präsident George W. Bush als amerikanische Vision erneuert wurde. Das Risiko könne man sich sparen, betonte Van Allen bissig. Wissenschaftliche Ergebnisse seien mit Messgeräten und nicht mit spektakulären TV-Übertragungen zu erzielen. In Erinnerung an seine Leistungen bezeichnete die NASA die 2012 gestartete Forschungsmission zu den Strahlungsgürteln als "Van Allen Probes" (ursprünglich Radiation Belt Storm Probes = RBSP). Zwei Jahre lang sollen die beiden an verschiedenen Stellen der Strahlungsgürtel arbeitenden Sonden ihre Daten zur Erde senden, um neue Erkenntnisse über die Dynamik der Beziehung zwischen Sonne und Erde zu ermöglichen.

 

Infos:

- http://de.wikipedia.org/wiki/James_Van_Allen

- Van Allens Autobiographie „What Is A Space Scientist?”: http://www-pi.physics.uiowa.edu/java/

- Website der University of Iowa (Suchwort James Van Allen eingeben): http://www.uiowa.edu/

- Nachruf der NASA: http://www.nasa.gov/vision/universe/features/james_van_allen.html

- Homepage der NASA (Suchwort James Van Allen - 1400 Hits - eingeben): http://www.nasa.gov/home/

- http://www.nasa.gov/vanallenprobes

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