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Weltraumwellen zeigen, wo das Erdmagnetfeld unter Druck steht
Schutzschild mit Schlagseite: An der Grenze des Erdmagnetfelds können große Wellen und Wirbel entstehen, wenn der Sonnenwind daran vorbeiströmt. Neue Simulationen zeigen, dass sie unter bestimmten Bedingungen vor allem auf der winterlichen Nordhalbkugel auftreten. Ob die stärksten Wellen morgens oder abends entstehen, hängt von der Richtung des mitgeführten Magnetfelds ab.
Oulu (Finnland). Der Sonnenwind trifft auf eine unsichtbare Barriere: die Magnetosphäre, jene vom Erdmagnetfeld beherrschte Region des Weltraums. Sie lenkt einen Großteil der geladenen Sonnenpartikel ab, schließt sie aber nicht vollständig aus. Denn an ihrem äußeren Rand, der Magnetopause, können Teilchen und Energie über verschiedene Prozesse in den erdnahen Weltraum gelangen.
Besonders auffällig sind dort Kelvin-Helmholtz-Wellen. Sie entstehen, wenn unterschiedlich schnelle Plasmaströmungen aneinander vorbeigleiten und die Grenzfläche aufrollen. Ähnliche Wellenberge lassen sich auch in Wolken oder an Strömungsgrenzen im Wasser beobachten. Dass der Sonnenwind die Magnethülle der Erde verformt, ist länger bekannt. Doch warum die Wirbel an manchen Stellen leichter entstehen als an anderen, ließ sich bisher nur unvollständig erklären.
Forscher der University of Oulu (UO) um Dr. Lauri Holappa haben deshalb die Magnetosphäre in einem globalen Computermodell untersucht. Sie analysierten zwei vierstündige Simulationen mit idealisierten Sonnenwindbedingungen, bei denen die seitliche Komponente des solaren Magnetfelds ihr Vorzeichen wechselte. Die Erdmagnetachse war dabei um 35 Grad von der Sonne weg geneigt, entsprechend einer Wintersituation auf der Nordhalbkugel.
Der Modellvergleich zeigte einen deutlichen Unterschied: Im nördlichen Winterbereich bildeten sich ausgeprägte Wirbel, auf der südlichen Sommerseite hingegen in beiden Rechenläufen keine entsprechenden Wellenmuster. Auch innerhalb der Nordhälfte lag die stärkste Aktivität nicht symmetrisch auf beiden Flanken des Schutzschirms.
Bei einer positiven seitlichen Magnetfeldkomponente entstanden die Kelvin-Helmholtz-Wellen vor allem auf der Morgenseite der Magnetosphäre. Kehrte sich das Vorzeichen um, verlagerte sich das Geschehen auf die Abendseite. Im ersten Fall hatten die modellierten Wellen eine Wellenlänge von ungefähr fünf Erdradien und bewegten sich mit rund 170 Kilometern pro Sekunde entlang der Grenzfläche.
„Unterschiede bei den Wellen an der Magnetfeldgrenze wurden schon früher beobachtet, aber jetzt konnten wir zeigen, wie sie entstehen“, erklärt Dr. Lauri Holappa.
Die Erklärung liegt in einer Kombination aus Strömung und Magnetfeldgeometrie. Das Magnetfeld des Sonnenwinds legt sich nicht gleichmäßig um die irdische Magnethülle, sondern wird beim Umströmen auf beiden Seiten unterschiedlich ausgerichtet. Wo seine Feldlinien entlang der Wellenbewegung verlaufen, erzeugt die magnetische Spannung eine bremsende Wirkung und erschwert die Wirbelbildung.
Zugleich verändert magnetische Rekonnexion, bei der sich Feldlinien neu verbinden, die Strömungsverhältnisse an der Außengrenze. Auf der jeweils ruhigeren Flanke verbreitert sich im Modell die Übergangszone zwischen Sonnenwind und Magnetosphäre, wodurch Geschwindigkeitsunterschiede auf größerem Raum verteilt werden. Dadurch können die Wellen dort langsamer wachsen, während auf der Gegenseite kräftigere Wirbel entstehen.
Die Berechnungen helfen damit, zu erklären, warum die Kopplung zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld räumlich so ungleich ausfällt. Kelvin-Helmholtz-Wirbel können Plasma von außen nach innen transportieren und außerdem elektrische Ströme beeinflussen, die entlang der Feldlinien bis in die obere Atmosphäre reichen. Solche Prozesse sind für das Verständnis von Polarlichtern und anderen Erscheinungen des Weltraumwetters relevant.