10. – 13. Schuljahr

Thomas Rubitzko

Interplanetare Kehrwoche

Durch den Impuls des Sonnenlichts bleibt unser Sonnensystem trotz zahlreicher interplanetarer Dreckschleudern sauber

Informationen
Wer einmal einen Kometen am Himmel mit bloßem Auge betrachtet hat, kann sich seiner Faszination kaum entziehen. Mit einem Teleskop lässt sich dann sogar erkennen, dass solche Schweifsterne, deren eigentliche Kerne nicht zu sehen sind, an ihrer hell leuchtenden Koma zwei Schweife haben, die in etwas unterschiedliche Richtungen weisen und sehr groß sein müssen (s. Abb. 1 ). Nicht nur Schülerinnen und Schüler glauben häufig, dass diese Schweife, einer aus ungeladenem Staub, der andere aus Plasma, entgegen der Fahrtrichtung weisen etwa so wie die Rauchfahne eines brennenden Geschosses, das im Mittelalter auf Burgen abgeschossen wurde. Grund genug, dieses Naturphänomen im Unterricht im Zusammenhang mit Kometenmeldungen und den entsprechenden Bildern zu thematisieren. Mir, der aus dem Schwäbischen stammt, drängte sich beim Anblick eines Kometen dann noch eine weitere Frage auf. „Und wer bitte macht bei dem ganzen Staub Kehrwoche? Antwort: „Die Sonne mittels Poynting-Robertson-Effekt.
Strahlungsdruck
Elektromagnetische Wellen übertragen Impuls, wenn sie auf eine Fläche treffen und dort absorbiert oder reflektiert werden. Die dabei auf die Fläche ausgeübte Kraft ist in der Regel winzig. Für eine Änderung der Geschwindigkeit relevant wird sie aber bei sehr, sehr kleinen Massen-Oberflächenverhältnissen, langen Einwirkzeiten und unter Reibungsfreiheit. Diese Bedingung findet sich im interplanetaren Raum mit der Sonne als elektromagnetischer Strahlungsquelle und Stäuben als Wechselwirkungspartner.
Treffen elektromagnetische Wellen auf eine Oberfläche, so werden die Elektronen des Körpers vom elektrischen Feld der Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle beschleunigt. Sie bewegen sich dann auch senkrecht zum magnetischen Feld der Welle. Die Lorentzkraft wirkt nun in Ausbreitungsrichtung der Welle. Den dabei erhaltenen Impuls geben die Elektronen an den Festkörper weiter. Soweit die klassische elektromagnetische Erklärung des Impulsübertrages, die mit dem Photonenbild der elektromagnetischen Strahlung noch expliziter zum Ausdruck kommt. Wird die Welle absorbiert, so wird der gesamte, von einem Wellenzug transportierte Impuls dem absorbierenden Körper übertragen. Wird die Welle reflektiert – noch effektiver , dann wird aufgrund der Impulserhaltung der doppelte Impuls in gleichen Zeitintervallen übertragen. In Gleichungen ausgedrückt, ergibt sich die Kraft auf einen absorbierenden Körper mit der Auftrefffläche A als F = IAc,wobei c die Lichtgeschwindigkeit und die Intensität I der Welle (der Betrag des Poynting-Vektors) proportional zum Amplitudenquadrat der elektrischen Feldstärke E02ist. Dividiert man beide Seiten der Gleichung durch A, so erhält man den Strahlungsdruck einer Welle zu
ps = E022μ0c2[1].
Gespaltene Kometenschweife
Kommt ein Komet auf seiner elliptischen Umlaufbahn in Sonnennähe, so erhöht sich seine Oberflächentemperatur auf der sonnenzugewandten Seite. Dort sublimieren Stoffe wie Wassereis, Methaneis oder Trockeneis und reißen Stäube mit. Durch Wechselwirkung mit dem Sonnenwind kommt es zur Ionisation und zur weiteren Erwärmung der ausgetretenen Materie. Die Koma des Kometen entsteht.
Die im Materiegemisch enthaltenen ionisierten Moleküle des Kometen werden nun durch das vom Sonnenwind mitgeführte Magnetfeld den...

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