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Polarlicht-Stürme können das Erdmagnetfeld binnen Minuten stören
Polarlichter entstehen bei energiereichen Vorgängen im Erdmagnetfeld, die zugleich Stromnetze gefährden können. Die Analyse zweier starker magnetischer Teilstürme zeigt nun, wie schnell sich die Störungen ausbreiten. Etwa sieben Minuten nach Veränderungen im Magnetschweif registrierten Messstationen in der kanadischen Arktis heftige Magnetfeldschwankungen am Boden, die örtlich sehr unterschiedlich ausfielen.
Ann Arbor (U.S.A.). Weit hinter der Erde zieht der Sonnenwind das Magnetfeld unseres Planeten zu einem langen Schweif auseinander. Dort kann sich Energie ansammeln, die bei magnetischen Teilstürmen plötzlich freigesetzt wird. Geladene Teilchen erreichen anschließend die obere Atmosphäre und bringen ihre Bestandteile zum Leuchten, sodass Polarlichter entstehen.
Dieselbe Aktivität verstärkt auch elektrische Ströme in der Ionosphäre, einer elektrisch leitenden Schicht der oberen Atmosphäre. Wenn sich diese Ströme rasch verändern, schwankt das Magnetfeld selbst an der Erdoberfläche. Solche Schwankungen können in langen Stromleitungen zusätzliche Ströme erzeugen und dadurch Transformatoren und andere Netzkomponenten belasten.
Forscher der University of Michigan (U-M) um Sanjay Kumar haben nun untersucht, wie eng Veränderungen im Magnetschweif mit magnetischen Störungen am Boden zusammenhängen. Das Team analysierte zwei starke Teilstürme vom 10. und 20. Dezember 2015. Dazu kombinierte es Daten der Satellitenmission THEMIS und des Satelliten GOES-13 mit Messungen von neun Magnetometerstationen in der kanadischen Arktis.
Die Satelliten erfassten Veränderungen des Magnetfelds sowie schnelle Bewegungen geladener Teilchen im erdnahen Weltraum. Die Bodenstationen zeichneten währenddessen auf, wie stark und wie schnell das Erdmagnetfeld vor Ort schwankte. Ergänzend werteten die Wissenschaftler einen Index der Polarlichtströme aus und rekonstruierten die elektrischen Stromsysteme in der Ionosphäre mithilfe eines mathematischen Modells.
Bei beiden Ereignissen registrierten die Satelliten zunächst einen abrupten Umbau des gestreckten Magnetfelds im Magnetschweif und eine Beschleunigung geladener Teilchen. Etwa sieben Minuten später fiel der sogenannte SML-Index stark ab, der die Aktivität eines wichtigen elektrischen Strombands in der Polarlichtzone beschreibt. Gleichzeitig begannen die Magnetometer am Boden ausgeprägte Schwankungen des Erdmagnetfelds aufzuzeichnen.
„Unsere Forschung zeigt, dass sich diese Auswirkungen innerhalb von Minuten entfalten“, erklärt Sanjay Kumar.
Der zeitliche Abstand war bei beiden untersuchten Teilstürmen ähnlich. Die Beobachtungen legen nahe, dass die Umstrukturierung des Magnetfelds im Weltraum eng mit dem anschließenden Anwachsen der elektrischen Ströme in der Hochatmosphäre verbunden ist. Eine allgemein gültige Vorwarnzeit lässt sich aus nur zwei Ereignissen allerdings nicht ableiten.
Die Störungen breiteten sich nicht auf einen Schlag über die gesamte Polarregion aus. Zunächst traten sie an Stationen zwischen 64 und 70 Grad geomagnetischer Breite auf, später weiter nördlich zwischen 70 und 75 Grad. Für diese Verlagerung in Richtung Nordpol vergingen ungefähr 20 bis 30 Minuten.
Auch die Stärke der Ausschläge unterschied sich erheblich. An einzelnen Messstationen änderte sich das Magnetfeld um bis zu etwa 25 Nanotesla pro Sekunde, während andere Stationen wesentlich geringere Schwankungen registrierten. Die modellierten Stromkarten zeigen dazu passend örtlich begrenzte, besonders intensive elektrische Ströme in der Ionosphäre.