Supergroße Sonnenflecken kehren zurück. Werden geomagnetische Stürme und Polarlichter erneut auftreten?

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Qi Yifan (China University of Geosciences (Wuhan))

Hersteller: China Science Expo

Erinnern Sie sich an das wunderschöne Polarlicht, das vor einiger Zeit die beliebtesten Suchanfragen dominierte? Damals sahen viele Menschen in Xinjiang, Heilongjiang, der Inneren Mongolei, Gansu und anderen Orten unseres Landes die wunderschönen Polarlichter. Sogar in Orten mit niedrigeren Breitengraden wie Peking und Shandong haben einige Internetnutzer Fotos der wunderschönen rosafarbenen Aurora gepostet. Viele Menschen fahren in die Vororte, um den Polarlichtern nachzujagen, starten einen spontanen Ausflug und genießen das ultimativ romantische Erlebnis einer „Polarreise“.

Zusammen mit dem seltenen Polarlicht kommt es zu einem geomagnetischen Sturm. Am 11. Mai gab das National Space Weather Monitoring and Warning Center selten die höchste Alarmstufe Rot heraus, was dazu führte, dass viele Menschen zwei Tage lang in Angst lebten.

Das Polarlicht wurde am frühen Morgen des 11. Mai in Altay, Xinjiang fotografiert.

(Fotoquelle: Pu Shi)

Tatsächlich haben dieses Polarlicht und der geomagnetische Sturm einen gemeinsamen Urheber: AR3364, einen extrem großen Sonnenfleckenaktivitätsbereich auf der Sonnenoberfläche. Es stieß kontinuierlich mehrere Plasmabälle aus, um das Magnetfeld der Erde „anzugreifen“, wodurch heftige geomagnetische Störungen ausgelöst wurden und wir traumhafte Polarlichter und gewaltige geomagnetische Stürme erleben konnten.

Am 29. Mai kehrte dieser „Aurora Maker“ AR3364 mit der neuen Nummer AR3697 zurück. Warum ist es zurückgekommen? Wird dies wieder geomagnetische Stürme und Polarlichter mit sich bringen? Welche Beziehung besteht zwischen Sonnenflecken, geomagnetischen Stürmen und Polarlichtern?

Geomagnetische Stürme und Polarlichter: Chaos und Pracht

Zunächst müssen wir klarstellen, dass geomagnetische Stürme und Polarlichter zwar häufig gemeinsam auftreten, jedoch nicht unbedingt in einem kausalen Zusammenhang stehen. Ihre Quelle ist die Sonne.

Manchmal gibt es Flecken auf der Sonnenphotosphäre, die dunkler sind als ihre Umgebung. Das sind Sonnenflecken. Dort, wo sich Sonnenflecken sammeln, gibt es starke Magnetfelder und Plasmaveränderungen, die oft Sonnenstürme auslösen.

Nach der Entstehung eines Sonnensturms wird eine riesige Plasmamasse mit einer Geschwindigkeit von Zehntausenden Kilometern pro Sekunde von der Sonne ausgestoßen. Die Sonne ist wie Niesen und wirft „Tröpfchen“ aus. Der Vorgang des „Niesens“ der Sonne wird als koronaler Massenauswurf (CME) bezeichnet. Trifft ein koronaler Massenauswurf die Erde, entsteht eine starke magnetische Störung, der das Magnetfeld unserer Erde jedoch weitgehend standhalten kann. Gleichzeitig wird auch die Sonne Eruptionen produzieren und die Erde mit starker Strahlung bestrahlen, die jedoch größtenteils von unserer Atmosphäre absorbiert wird. Wenn dieser „Niesen“ von der Sonne in Richtung Erde fliegt, gerät die Erde für uns in Unruhe.

Animation eines koronalen Massenauswurfs, der das Magnetfeld beeinflusst und Polarlichter erzeugt (das untere linke Bild zeigt den Prozess einer Protuberanz, die einen koronalen Massenauswurf antreibt)

(Bildquelle: Quelle von der offiziellen Website von SOHO Satellite, erstellt vom Autor)

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Bei der von der Sonne ausgestoßenen Materiemasse handelt es sich um eine Milliarden Tonnen schwere Plasmamasse mit einem eigenen elektromagnetischen Feld. Es rast mit extrem hoher Geschwindigkeit auf die Erde zu. Das ruhige Magnetfeld der Erde kann einem solch heftigen Aufprall nicht standhalten und gerät naturgemäß ins Chaos.

Die magnetosphärischen Ströme über der Erde werden eine „Stress“-Reaktion im Magnetfeld der Erde auslösen: Die Veränderung des Magnetfelds wird sich plötzlich nach Norden drehen, dann innerhalb weniger Stunden nach Süden, und es wird mehrere Tage oder sogar mehr als zehn Tage dauern, bis sich die Lage wieder beruhigt. Dies ist eine Manifestation des Chaos im gesamten Magnetfeld der Erde, das durch den koronalen Massenauswurf verursacht wird und auf den geomagnetischen Sturm zurückzuführen ist.

Typischer geomagnetischer Sturmprozess, dargestellt durch den Sturmringstromindex Dst

(Bildquelle: Daten des Geomagnetic and Space Magnetism Data Analysis Center der Universität Kyoto, Japan, erstellt vom Autor)

Obwohl das elektromagnetische Feld der Erde während eines geomagnetischen Sturms sehr chaotisch ist, kann das Chaos auch von schönen Phänomenen begleitet sein. Die Luftströmungen rund um den Polarkreis und die Südpolarmeerregion erhalten hochenergetische Partikel, die intensive Lichtphänomene erzeugen, die für die prächtigen Polarlichter verantwortlich sind.

Man kann sagen, dass das Schauspiel der Aurora gerade deshalb möglich ist, weil der Angriff koronaler Massenauswürfe Chaos im Magnetfeld der Erde verursacht. Je präziser der koronale Massenauswurf die Erde trifft, desto wahrscheinlicher ist es, dass er einen geomagnetischen Sturm auslöst und desto wahrscheinlicher ist es, dass er größere und spektakulärere Polarlichter hervorruft. Das Polarlicht und der geomagnetische Sturm vor einiger Zeit wurden durch mehrere Plasmahaufen verursacht, die kontinuierlich von einem Sonnenfleck AR3664 auf der Sonne ausgestoßen wurden, der 16 Erden breit ist.

Der koronale Massenauswurf, der am 11. Mai das Polarlicht und den magnetischen Sturm verursachte, ereignete sich am 8. Mai.

(Bildnachweis: NOAA-SWPC LASCO C3)

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Sunspot AR3664: Die Rückkehr des Königs

Wenn Sie die Möglichkeit haben, täglich in die Sonne zu schauen (Achtung! Schauen Sie ohne wissenschaftliche Schutzmaßnahmen nicht direkt in die Sonne!), werden Sie feststellen, dass die Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche von West nach Ost rotieren. Dies liegt daran, dass sich die Sonne, ebenso wie unsere Erde, um ihre eigene Achse dreht. Für eine Umrundung des Äquators benötigt die Sonne etwa 27 Erdentage.

Im Allgemeinen überleben kleine Sonnenflecken nicht lange und wir sehen sie möglicherweise nicht ein zweites Mal. Der jüngste „Königs-Sonnenfleck“ AR3664 ist jedoch anders. Es hat eine sehr große Fläche, vergleichbar mit der stärksten in der Geschichte; es hat eine sehr lange Lebensdauer und kann auch nach einer Sonnenumdrehung noch überleben; es hat Superenergie und strotzt weiterhin vor superstarker Energie.

Sonnenfleck AR3664 dreht sich mit der Sonne

(Bildquelle: Daten der NASA, erstellt vom Autor)

Als er sich noch auf der Seite der Sonne befand, kündigte er mit mehreren großen Fackeln seine Rückkehr als „König“ an. Am 29. Mai, nachdem er einmal um die Sonne gedreht hatte, trat er mit der neuen Nummer AR3697 wieder in unser Blickfeld. Nur einen Tag später verursachte AR3697 einen 90-minütigen Ausfall des Kurzwellenradios in Amerika. Der „König“ ist zurückgekehrt. Kann er uns ein weiteres Polarlichtfest bescheren?

Eine weitere Explosion ereignete sich, als der Sonnenfleck AR3664 (AR3697) zurückkehrte

(Bildnachweis: NASA/Solar Dynamics Observatory)

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Freuen Sie sich darauf, die Aurora wieder zu sehen, aber seien Sie auch auf der Hut vor extrem starken geomagnetischen Stürmen

Gemessen an dem großen Ausbruch vom 28. Mai ist er immer noch voller Energie. Wenn es erneut zu einem Ausbruch kommt, während der Planet mit der Sonne auf die gegenüberliegende Seite der Erde rotiert, können wir uns höchstwahrscheinlich in ein oder zwei Tagen wieder an den wunderschönen Polarlichtern erfreuen.

Wie bereits erwähnt, existieren jedoch Schönheit und Chaos nebeneinander. Wenn der Ausbruch zu stark ist, können wir das Polarlicht möglicherweise nicht genießen. Lassen Sie uns aus der Geschichte lernen und einen Blick auf die Katastrophen werfen, die in der Geschichte durch extrem starke geomagnetische Stürme verursacht wurden.

Während des Superspots „Carrington Event“ im Jahr 1859 (vergleichbar mit der Größe von AR3664) konnte man beobachten, dass es auf der Sonnenoberfläche mit bloßem Auge sichtbare Blitze gab, der Zeiger des Magnetometers aufgrund der extrem starken geomagnetischen Intensität aus dem Skalenbereich sprang, Telegrafenmaschinen in Telegrafenämtern im ganzen Land ständig Funken sprühten und sogar die Drähte schmolzen. Menschen in hohen Breitengraden konnten die farbenfrohen Nordlichter am Himmel sehen und um Mitternacht ohne Licht Zeitung lesen. Abnorme Erscheinungen aller Größenordnungen hielten bis zu 8 Tage an.

Vergleich zwischen AR3664 und dem supermassiven Sonnenfleck, der das Carrington-Ereignis verursachte

(Bildquelle: spaceweather)

Während des extrem großen magnetischen Sturms im Jahr 1989 (1,5-mal so groß wie der magnetische Sturm am 11. Mai dieses Jahres) waren die Menschen damals genauso aufgeregt wie wir, das seltene Polarlicht zu genießen. Doch als der geomagnetische Sturm am frühen Morgen des 13. März seinen Höhepunkt erreichte, durchbrach der durch den geomagnetischen Sturm ausgelöste Induktionsstrom das Stromnetz im kanadischen Quebec und zerstörte in weniger als einer Minute mehrere Umspannwerke. Das gesamte 21.500 Megawatt starke Stromnetz der Provinz Quebec brach augenblicklich zusammen. In den USA, die vergleichsweise weniger betroffen waren, kam es ebenfalls zu Problemen mit mehr als 200 Transformatoren oder Relais in unterschiedlichem Ausmaß.

Transformator brannte 1989 durch geomagnetischen Sturm aus

(Bildnachweis: NOAA-SWPC)

Darüber hinaus waren auch Satelliten und das auf Mission befindliche Space Shuttle Discovery in unterschiedlichem Ausmaß betroffen. Im Juni desselben Jahres explodierte eine Erdgaspipeline in der Uralregion und es wurde schließlich bestätigt, dass der extrem starke geomagnetische Sturm elektrischen Strom in der Metallpipeline induziert hatte. Diese elektrochemische Reaktion beschleunigte die Korrosion der Pipeline und führte letztendlich zur Tragödie.

Berichte über Space Shuttles, die von geomagnetischen Stürmen betroffen sind (Space Shuttle Discovery gerät in einen Notfall, der die Flugpläne verkürzen könnte)

(Bildquelle: Bericht der New York Times vom 15. März 1989)

Tatsächlich gibt es viele ähnliche Vorfälle. Auf der Internationalen Raumstation und auf Shenzhou V kam es bereits zu ähnlichen Gefahrensituationen. Glücklicherweise wurden entsprechende Gegenmaßnahmen ergriffen, um die Umlaufbahn zu vergrößern und eine Tragödie zu verhindern.

Weltraumwettervorhersage: „Wettervorhersage“ in den Weltraum bringen

Die oben genannten Fälle liegen weit weg von uns. Heutzutage verfügen wir über mehr Möglichkeiten, mit starken Magnetstürmen umzugehen, und ein sehr wichtiger Teil davon ist die Vorhersage des Weltraumwetters.

Die Überwachung von Weltraumumgebungen wie dem Geomagnetfeld und der Sonne ist zu einem immer wichtigeren Teil der modernen Gesellschaft geworden, ebenso wie Wettervorhersagen für die landwirtschaftliche Produktion von großer Bedeutung sind. Beispielsweise können wir mithilfe von Beobachtungsgeräten die Sonne „anstarren“ und uns das Prinzip zunutze machen, dass die Lichtgeschwindigkeit höher ist als die Geschwindigkeit des Sonnenwinds und der koronalen Massenauswürfe. Sobald wir feststellen, dass die Sonne „die Fassung verliert“, können wir die zuständigen Abteilungen sofort warnen und die Energie-, Luft- und Raumfahrt- und andere Abteilungen Schutzmaßnahmen ergreifen lassen, um Verluste zu vermeiden.

Meridian-Projekt Phase II „Circular Array Solar Radio Imaging Telescope“

(Bildquelle: Offizielle Website des Space Environment Ground-based Integrated Monitoring Network)

Die beiden der Sonnenbeobachtung gewidmeten Satelliten meines Landes, „Xihe“ und „Kuafu“, wurden in Betrieb genommen. Das kreisförmige Solar-Radio-Imaging-Teleskop des „Meridian-Projekts“ wurde ebenfalls fertiggestellt. Sie werden mit allen Geräten zur Weltraumwetterbeobachtung zusammenarbeiten, um die Aufgaben der Überwachung und Frühwarnung zum Schutz unserer Heimat zu übernehmen.

Mit ihnen können wir getrost einem weiteren Polarlichtfest entgegensehen, das uns der Sonnenfleck mit dem neuen Namen AR3697 in einigen Tagen bescheren könnte, ohne uns Sorgen über die irreparablen Verluste machen zu müssen, die der von ihm verursachte supermagnetische Sturm mit sich bringen könnte.

Wir möchten den folgenden Personen für ihre Kommentare zu diesem Artikel danken: Sun Yangyi, Qiu Shican, Liang Yu, Lin Kai und Zhang Yinan.

Quellen:

[1] Parker EN Kosmische Magnetfelder – Ihr Ursprung und ihre Aktivität [M]. Clarendon Press, 1979.

[2] Xu Wenyao. Physik elektromagnetischer Phänomene auf der Erde [M]. Hefei: Universität für Wissenschaft und Technologie der chinesischen Presse, 2009.