Teil 1: Elektrizität und Plasma
Kapitel 7: Die ‘isolierende Blase’

Neben dem sehr geringen elektrischen Widerstand von Plasma, weist es noch eine andere Eigenschaft auf: Die Fähigkeit, um andere Körper eine Art von ‘insolierender Blase’ zu erzeugen:
Irving Langmuir entdeckte eine der wichtigsten Eigenschaften von Plasma, nämlich seine Fähigkeit, einen Teil von sich selbst elektrisch von einem anderen zu isolieren. Die isolierende Wand besteht aus zwei dicht aneinanderliegenden Schichten. Die eine Schicht besteht aus positiven Ladungen und die andere aus negativen Ladungen. Langmuir nannte diese Entdeckung Doppelmantel [double sheath]. Heute nennt man es Doppelschicht (DS) [double Layer (DL)]. Da Plasmen hervorragende Leiter sind, gibt es in ihnen, während sie Strom führen,keinen signifikanten Spannungseinbruch. Wenn es eine signifikante Spannungsdifferenz zwischen zwei Stellen innerhalb des Plasmas gibt, formt sich eine DS zwischen ihnen; und der größte Teil der Spannungsdifferenz wird darin eingeschlossen. Oder anders ausgedrückt: Das stärkste elektrische Feld in jedem Plasma befindet sich immer in der DS. Plasmen haben eine fast schon magische Fähigkeit, sich selbst vor fremden Eindringlingen zu isolieren.24
Man beachte: Wenn das elektrische Potential eines Himmelskörpers sich dem Potential des umgebenden Plasmas angleicht und am Ende dem selben Potential entspricht, dann verschwindet die isolierende Blase. Bei unserem Mond ist dies der Fall: Er besitzt keine isolierende Blase.25 Abbildung 9 zeigt den Querschnitt eines geladenen Körpers (links) und seiner umgebenden DS (rechts). Die DS weist drei spezifische Bereiche auf. Der mittlere Bereich enthält den größten Bereich der DS (in Bezug auf das Volumen). Das elektrische Potential dieser breiten Region ist relativ gleichmäßig, was dazu führt, dass dort ein sehr schwaches elektrisches Feld vorherrscht. Das Resultat ist ein relativ limitierter elektrischer Strom. Daraus folgen die isolierenden Eigenschaften der DS. Der Großteil der elektrischen Potentialdifferenz tritt an den Extremitäten auf; an den Bereichen, in der die DS dem geladenen Körper näher kommt (links) und dem umgebenden Raum / Plasma (rechts).

Die DS limitiert die Entladung eines Körpers dramatisch. Ohne die DS wäre die Oberfläche des Körpers in direktem Kontakt mit dem umgebenen Raum, der ein ganz anderes elektrisches Potential aufweist. Dieser Unterschied im Potential würde zu einer schnellen und totalen Entladung des Körpers führen. Aus dieser Perspektive sind Himmelskörper Kugelkondensatoren ziemlich ähnlich.
Bild
© sott.net
Abbildung 9: Die isolierende Blase, die ein elektrisch geladenes Objekt umgibt
© Wikimedia Commons
Abbildung 10: Ein Parallelplattenkondensator aus dem 19. Jahrhundert. Die Luft zwischen den beiden Platten spielt die Rolle des Dielektrikums.
Ein Kondensator26 sind einfach zwei Elektroden, die durch einen Isolator, also einem ‘dielektrischem’ Stoff, getrennt sind. Dieser Stoff kann Luft, Papier, Holz, etc. sein. Wenn der Kondensator an eine Quelle mit einem elektrischen Strom angeschlossen wird, wie zum Beispiel einer Batterie, erhöhen sich die Ladungen in den Elektroden langsam und das elektrische Feld zwischen den beiden Platten verstärkt sich. An diesem Punkt fließt fast kein Strom zwischen den beiden Elektroden. Wenn das elektrische Feld eine kritischen Wert erreicht (bekannt als ‘Durchschlagsspannung’), geschieht eine elektrische Entladung und ein starker Strom fließt plötzlich zwischen den beiden Elektroden. Dann beginnen die Ladungen in den Elektroden sich erneut bis zum kritischen Punkt zu erhöhen (und so weiter und so fort).

Ein Elektroschocker bzw. eine Elektroschockwaffe (Taser)27 ist ein typischer Anwendungsbereich von Kondensatoren: Ein Kondensator wird mit einer 9-Volt Batterie für mehrere Sekunden aufgeladen, danach entlädt er eine sehr kurze, aber hohe, Voltzahl (bis zu 150,000 Volt). Wenn wir uns einen geladenen Himmelskörper als einen Kondensator vorstellen, dann ist die eine Elektrode der Himmelskörper selbst und die andere Elektrode die äußere Schicht der ‘isolierenden Blase’ bzw. der DS. Das Dielektrikum (der isolierende Stoff) dieses Kondensators ist das Plasma, das in der Blase enthalten ist, die man auch Plasmasphäre nennt.28

Die Sonne hat ihre eigene DS, man nennt sie Heliosphäre. Die DS der Erde ist die Ionosphäre. Alle Planeten unseres Sonnensystems befinden sich innerhalb der Heliosphäre der Sonne, während sie (die Planeten selbst) von ihren eigenen isolierenden Blasen umgeben sind. In Abbildung 11 sieht man die DS der Erde (die Ionosphäre), die sich innerhalb der DS der Sonne (Heliosphäre) und der Heliopause (die äußerste Schicht der ‘Sonnen-Blase’) befindet. Während die Existenz der elektrischen Natur der Ionosphäre unseres Planeten schon lange bekannt ist, wurden die elektrischen Eigenschaften der Heliosphäre erst 2004 beobachtet:
Voyager 1 erreichte den ‘Rand des Sonnensystems’ im Dezember 2004, in einer Region die 94 mal weiter entfernt ist als die Erde zur Sonne. Es ist ein Bereich, in dem man erwartete, dass der ‘Überschall-Sonnenwind’ sich plötzlich verlangsamt, wenn er mit dem interstellaren Medium in Berührung kommt, an dem sogenannten ‘Termination Shock’. Dieser flüssig-mechanische Analog unterscheidet sich drastisch vom elektrischen Modell, in der die Sonne eine ‘unipolare’ Korona-Entladung ist. Das heißt: Die Sonne bildet die physikalische Anode (positiv geladenes Objekt) und das Plasma selbst übernimmt die Funktion der Kathode (negativ geladenes Objekt). Hochspannungsleitungen auf der Erde zeichnen sich durch eine ähnliche ‘koronale Entladung’ mit der umgebenden Luft aus, die eine ‘virtuelle Kathode’ ([in diesem Fall] kein Objekt sondern eine geladene Region) formt. In diesem Modell konzentriert sich fast die gesamte Volt-Differenz zwischen der Sonne und ihrer galaktischen Umgebung (die man auf mehrere zehn Milliarden Volt schätzt) an der virtuellen Kathoden-Grenze mit dem interstellaren Raum. Folglich ist es also zu erwarten, dass die Daten der Voyager 1 für das Modell des magnetohydrodynamischen ‘Schocks’ anomal sind, während es mit dem elektrischen Modell übereinzustimmen scheint. Im elektrischen Modell hat Voyager 1 den Bereich des ‘faradayschen dunklen Raumes’ betreten, in dem die solare Entladung stattfindet und das solare elektrische Feld sich umkehrt. Das würde auch die Anhäufung von Protonen im Sonnenwind und den stetigen Anstieg von anomalen kosmischen Strahlungen von ferneren Regionen erklären.29
Wie in Abbildung 11 dargestellt, ist die Heliosphäre nicht kugelförmig sondern elliptisch. Diese elliptische Form besteht auf Grund der Tatsache, dass unser gesamtes Sonnensystem, und somit auch die Heliosphäre, den Kern unserer Galaxie umkreist. Die relative Geschwindigkeit unserer Sonne in Bezug auf die Milchstraße beträgt 220 km/s30 (Kilometer in der Sekunde).
Bild
© Sott.net
Abbildung 11: Darstellung der Erde und ihrer isolierenden Blase (der Ionosphäre), die sich innerhalb der isolierenden Blase der Sonne befindet, die man Heliosphäre nennt. (Nicht maßstabgetreu)
Das Sonnensystem bewegt sich in dieser Abbildung nach links, deshalb wird die linke Seite der Heliosphäre ‘zusammengepresst’31, während die rechte Seite der Heliosphäre sich in die Länge streckt.

Für viele Jahre war die Form der Heliosphäre ein kontroverses Thema. Einige Wissenschaftler behaupteten, dass die Heliosphäre kugelförmig sein muss und die Sonne sich direkt im Zentrum dieser Kugel befindet. Auf der anderen Seite behaupteten Plasma-Kosmologen, dass die Heliosphäre elliptisch sein muss, genauso wie die Ionosphäre der Erde oder das Koma eines Kometen, weil exakt die gleichen elektromagnetischen Phänomene auch auf die Heliosphäre wirken (die Skalierbarkeit erklärt warum). Erst vor kurzem wurde die elliptische Form der Heliosphäre bewiesen, durch den "Interstellar Boundary Explorer" der NASA.32 (Siehe Abbildung 12.)

Beachten Sie: Im Gegensatz zur Sonne und ihrer Planeten besitzen die meisten Monde in unserem Sonnensystem (auch unser Mond) keine eigene DS oder Plasmasphäre. Das elektrisches Potential dieser Monde ist gleich groß wie das elektrischen Potential ihrer Umgebung.
© NASA / IBEX
Abbildung 12: Repräsentation der elliptischen isolierenden ‘Blase’ der Sonne
Jedoch gibt es mindestens eine Ausnahme: Jupiters dritter Mond mit dem Namen Ganymed (siehe Abbildung 13), der zugleich auch der größte Mond in unserem Sonnensystem ist, hat eine Plasmasphäre33 d.h. eine DS. Das könnte an der Tatsache liegen, dass Ganymede ein erst vor Kurzem (relativ gesprochen) eingefangener elektrisch aktiver Körper ist, der mit Jupiter interagiert, dem elektrisch aktivsten Planeten unseres Sonnensystems.
© NASA
Abbildung 13: Jupiters Mond mit dem Namen Ganymede
Fußnoten:

24Scott, D.E., The Electric Sky, Seite.74
25Beachten Sie, dass unser Mond zwar heute keinen Magnetismus besitzt, jedoch war das nicht immer der Fall. Die Oberfläche unseres Mondes weist Rest-Magnetismus auf. Die Gesteinsproben, die durch die Mondlandungen entnommen und zurück zur Erde gebracht wurden, erbrachten den Nachweis dieses Magnetismus. Leider wurde die magnetische Orientierung der Gesteine vor der Entfernung vom Mond nicht aufgezeichnet. Siehe Scott, D.E., The Electric Sky, Seite. 214
26Kondensator Phänomene wurden im Jahre 1745 erstmals vom deutschen Physiker Ewald Georg von Kleist beschrieben.
27Harris, T., How stun gun work’, How Stuff Works. Siehe: electronics.howstuffworks.com/gadgets/other-gadgets/stungun3.htm
28Im Rest des Buches werden wir abwechselnd die Wörter Plasmasphäre und Magnetosphäre benutzen. Die Plasmasphäre ist der ionisierte Bereich um einen Himmelskörper, während die Magnetosphäre der magnetisierte Bereich um einen Himmelskörper ist. Während diese beiden Worte häufig überlappende Konzepte sind, ist dies nicht immer der Fall. Zum Beispiel hat die Venus zwar wenig bis gar kein elektrisches Feld, aber trotzdem hat sie eine große Plasmasphäre. Siehe: Scott, D.E., The Electric Sky, Seite.105
29Thornhill, W. & Talbott, D., The Electric Universe, Seite. 44-45
30‘Spiral Galaxies’, University of Alberta. Siehe: www.ualberta.ca/pogosyan/teaching/ASTRO_122/lect24/lecture24.html
31Auf eine ähnliche Weise ist auch die isolierende Blase der Erde, an der Seite, die zur Sonne zeigt, zusammengepresst, da Sonnenwinde auf die Ionosphäre einwirken: Deshalb hat auch die isolierende Blase unserer Erde eine elliptische Form. Diese Thematik wird in Kapitel 28 "Die Ströme des Jetstreams" weiter entwickelt.
32Der "Interstellar Boundary Explorer" (IBEX) ist ein 169 Millionen Dollar teurer Forschungssatellit der NASA. Die Observationen von IBEX wurden im Juli 2013 veröffentlicht und zeigten etwas, was man ‘heliotail’ (Helioschweif) nennt. Siehe: www.nasa.gov/content/nasa-s-ibexprovides-first-view-of-the-solar-system-s-tail/#.UeQLO23oDGo
33Kivelson, M. G., et al. ‘Ganymede’s magnetosphere: Magnetometer overview.’ Journal of Geophysical Research: Planets (1991 - 2012) 103.E9 (1998): 19 963-19 972.