Die Sonne erreicht ihre höchste Aktivität: So könnte sie mehr Polarlichter und Sonnenstürme verursachen

In letzter Zeit konnten weltweit viel mehr Menschen als sonst das Nord- und Südlicht mit bloßem Auge sehen. Auslöser dieses ungewöhnlichen Ereignisses war ein sehr starker Sonnensturm, der die Bewegung des Erdmagnetfeldes beeinflusste.

Die Sonne erreicht ihren maximalen Aktivitätspunkt über einen 11-Jahres-Zyklus. Das bedeutet, dass mit mehr explosiven Partikelemissionen zu rechnen ist. Unter den richtigen Umständen entstehen dadurch die hübschen Polarlichter am Himmel sowie die geomagnetischen Stürme, die Infrastrukturen wie Stromnetze und umlaufende Satelliten beschädigen können.

Was passiert also wirklich am Ursprung dieser Phänomene? Das Nord- und Südlicht ist im Allgemeinen auf sehr hohe und sehr niedrige Breiten beschränkt. Hochenergetische Teilchen von der Sonne wandern zur Erde, geleitet vom solaren Magnetfeld. Sie werden in einem Prozess, der als Wiederverbindung bezeichnet wird, in das Erdmagnetfeld übertragen.

Diese sehr schnellen, heißen Teilchen bewegen sich dann entlang der Magnetfeldlinien der Erde (der Richtung der Kraft eines Magneten), bis sie mit einem kalten, neutralen atmosphärischen Teilchen wie Sauerstoff, Wasserstoff oder Kohlendioxidstickstoff kollidieren. An diesem Punkt geht ein Teil dieser Energie verloren und erwärmt die lokale Umgebung.

Da atmosphärische Teilchen jedoch keine Energie haben, geben sie einen Teil dieser Energie in den Bereich des sichtbaren Lichts ab. Je nachdem, welches Element zu heiß ist, werden nun unterschiedliche Wellenlängen – und damit Farben – im sichtbaren Lichtbereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert. Es ist die Quelle von Polarlichtern, die in hohen Breiten und bei starken Sonnenereignissen auch in niedrigen Breiten beobachtet werden können.

Die Blau- und Violetttöne im Polarlicht stammen aus Stickstoff, während die Grün- und Rottöne aus Sauerstoff stammen. Dieser besondere Prozess findet ständig statt, aber da das Erdmagnetfeld eine ähnliche Form wie ein Stabmagnet hat, befindet sich der Bereich, der durch die einfallenden Teilchen mit Energie versorgt wird, in sehr hohen und niedrigen Breitengraden (im Allgemeinen am nördlichen Polarkreis oder am nördlichen Polarkreis).

Was ist also passiert, dass wir die Polarlichter viel weiter südlich auf der Nordhalbkugel sehen können?

Sie erinnern sich vielleicht, dass Sie in der Schule Eisenspäne auf Papier auf einen Magneten gestreut haben, um zu sehen, wie sie sich mit dem Magnetfeld ausrichten. Sie können das Experiment mehrmals wiederholen und jedes Mal die gleiche Form sehen.

Das Erdmagnetfeld ist ebenfalls konstant, kann jedoch je nach Sonneneinstrahlung komprimiert und freigegeben werden. Eine einfache Möglichkeit, darüber nachzudenken, besteht darin, sich zwei zusammengepresste, halb aufgeblasene Ballons vorzustellen.

Wenn Sie einen Ballon aufblasen, indem Sie mehr Gas hinzufügen, erhöht sich der Druck und der kleinere Ballon wird weggedrückt. Wenn Sie dieses zusätzliche Gas freisetzen, dehnt sich der kleinere Ballon aus und wächst wieder nach.

Für uns gilt: Je stärker dieser Druck, desto näher liegen die relevanten Magnetfeldlinien am Äquator und desto sichtbarer sind die Polarlichter.

Außergewöhnliche Stürme

Hier liegen auch die potenziellen Probleme: Ein bewegtes Magnetfeld kann in allem, was Strom leitet, einen Strom erzeugen.

In modernen Infrastrukturen werden die größten Ströme in Stromleitungen, Bahngleisen und unterirdischen Rohren erzeugt. Auch die Geschwindigkeit dieser Bewegung ist wichtig und wird dadurch verfolgt, dass gemessen wird, wie stark das Magnetfeld vom „Normalwert“ abweicht. Ein solches Maß, das Forscher verwenden, ist der Disturbed Storm Weather Index.

Gemessen daran waren die geomagnetischen Stürme vom 10. und 11. Mai außergewöhnlich stark. Bei solch einem schweren Sturm besteht die potenzielle Gefahr der Induktion elektrischer Ströme. Stromleitungen sind am stärksten gefährdet, profitieren aber von den in Kraftwerken eingebauten Schutzvorrichtungen. Diese Probleme stehen seit dem geomagnetischen Sturm im Jahr 1989 im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit, der einen Leistungstransformator in Quebec, Kanada, zum Schmelzen brachte und stundenlange Stromausfälle verursachte.

Metallrohre sind stärker gefährdet, da sie korrodieren, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Dabei handelt es sich nicht um einen sofortigen Effekt, sondern um eine langsame Ansammlung von erodiertem Material. Dies kann sehr erhebliche Auswirkungen auf die Infrastruktur haben, ist jedoch sehr schwer zu erkennen.

Wenn Strömungen auf der Erde ein Problem darstellen, sind sie es im Weltraum umso mehr. Satelliten verfügen nur über eine begrenzte Erdung und eine elektrische Überspannung kann Instrumente und Kommunikation zerstören. Wenn ein Satellit auf diese Weise die Kommunikation verliert, wird er als Zombie-Satellit bezeichnet und geht oft vollständig verloren, was zu einem sehr erheblichen Investitionsverlust führt.

Veränderungen im Erdmagnetfeld können sich auch auf das durch sie hindurchtretende Licht auswirken. Wir können diese Änderung nicht erkennen, aber die Genauigkeit des GPS-ähnlichen Ortungssystems kann stark beeinträchtigt sein, da das Ablesen einer Position von der Zeit abhängt, die zwischen Ihrem Gerät und einem Satelliten verstrichen ist. Eine zunehmende Elektronendichte (die Anzahl der Teilchen im Signalpfad) führt zu einer Krümmung der Welle, was bedeutet, dass es länger dauert, Ihr Gerät zu erreichen.

Die gleichen Änderungen können sich auch auf die Bandbreitengeschwindigkeit des Satelliteninternets und die Strahlungsgürtel des Planeten auswirken. Es handelt sich um einen Torus aus hochenergetischen geladenen Teilchen, hauptsächlich Elektronen, der sich etwa 13.000 km von der Oberfläche entfernt befindet. Ein geomagnetischer Sturm kann diese Partikel in die untere Atmosphäre drücken. Hier können Partikel den von Flugzeugen genutzten Hochfrequenzfunk (HF) stören und die Ozonkonzentration beeinflussen.

Polarlichter sind nicht auf die Erde beschränkt: Viele Planeten haben sie und sie können uns viel über die Magnetfelder sagen, die auf diesen Himmelsobjekten existieren. Ein besonderes Gerät zur Simulation von Polarlichtern ist eine „Planeterella“, die erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts vom norwegischen Wissenschaftler Kristian Birkeland entwickelt wurde.

Eine magnetische Kugel (die die Erde darstellt) wird in einer Vakuumkammer platziert und der Sonnenwind wird simuliert, indem Elektronen auf die Kugel abgefeuert werden. Wir haben zwei dieser Instrumente in Großbritannien an Universitäten und hier an der Nottingham Trent University habe ich kürzlich einem Studenten geholfen, im Rahmen eines Masterprojekts eine Budgetversion zu erstellen.

Durch Ändern der Intensität des Magnetfelds und des Abstands zwischen Objekten können Sie die Entwicklung der Polarlichter beobachten. Die Emission ist überwiegend violett, wie es in einer Atmosphäre mit 72 % Stickstoff zu erwarten wäre. Rund um den Gipfel, wo das Polarlicht auf der Erde sichtbar wäre, erscheint ein starker Emissionsring, dessen Breite je nach Stärke des Magnetfelds steigt und fällt.

Als Naturereignis ist das Polarlicht ein Wunder. Aber was noch besser ist: Mit jedem starken geomagnetischen Sturm nehmen wir Verbesserungen vor, die zum Schutz vor möglichen Schäden durch zukünftige Ereignisse beitragen.

Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.