Kann die Aurora auslösen! Was genau ist der Ursprung geomagnetischer Stürme?

Vor einiger Zeit wurde in den Nachrichten berichtet, dass das National Space Science Center der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen gewaltigen geomagnetischen Sturm auf der Erde entdeckt habe.

Wie groß ist dieser geomagnetische Sturm? Es handelt sich um den bisher stärksten geomagnetischen Sturm im 25. Sonnenzyklus. Unter seinem Einfluss sind auch in Xinjiang und Mohe, China, wunderschöne Polarlichter zu sehen.

Quelle: News Photo

Tatsächlich wurde bereits im März dieses Jahres ein großer geomagnetischer Sturm gemeldet. Wird das Auftreten mehrerer geomagnetischer Stürme hintereinander Auswirkungen auf unser Leben haben? Was genau verursacht geomagnetische Stürme?

Es gibt auch Gerüchte, dass sich das Magnetfeld der Erde in naher Zukunft umkehren wird. Was ist los? Was ist die Wahrheit? Kommen Sie und folgen Sie mir, um es herauszufinden.

1Was ist ein geomagnetischer Sturm?

Bevor wir diese Frage im Detail beantworten, müssen wir zunächst verstehen, wie der Erdmagnetismus entsteht.

Der Erdkern besteht aus zwei Teilen: dem inneren Kern und dem äußeren Kern. Der innere Kern hat die höchste Temperatur und ist fest; Der äußere Kern hat die zweitniedrigste Temperatur und ist mit einer großen Menge Flüssigkeit gefüllt, die hauptsächlich aus Eisen und Nickel besteht. Diese Flüssigkeiten sind magnetisch und unterliegen unter dem Einfluss der Erdrotation und der hohen Temperatur einer Konvektionsbewegung, die eine elektromagnetische Induktion verursacht und somit Geomagnetismus erzeugt.

Der Magnetismus der Erde hat eine Geschichte von mindestens 3,5 Milliarden Jahren. Es erstreckt sich durch das Erdinnere ins Universum und bildet die Magnetosphäre der Erde, die das Eindringen des Sonnenwinds blockieren und die Erdatmosphäre und die natürliche Ökologie schützen kann.

Schematische Darstellung der visuellen Wirkung des Erdmagnetfelds Quelle: NASA

Ein geomagnetischer Sturm ist eine globale und heftige Störung des Erdmagnetfelds . Es hat eine bestimmte Intensitätsstufe. Der Dst-Index wird häufig zur Klassifizierung in der Forschung verwendet, und der Kp-Index wird zur Klassifizierung in tatsächlichen Frühwarnanwendungen verwendet. Der höchste Kp-Index ist Stufe 9, die Stufe eines sehr großen geomagnetischen Sturms.

Es gibt zwei Arten solarer explosiver Aktivitäten, die mit geomagnetischen Stürmen in Zusammenhang stehen: Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe.

Eine Sonneneruption ist eine heftige Explosion in einem lokalen Bereich der Sonne, die einen starken Lichtblitz erzeugt. Entsprechend dem vom Weltraumbeobachtungssatelliten GOES in Erdnähe gemessenen Spitzenröntgenfluss (Wellenlänge zwischen 100 und 800 Pikometern) werden Sonneneruptionen in fünf Stufen unterteilt: A, B, C, M und X. Jede Stufe ist weiter in die Stufen 1 bis 9 unterteilt (außer Stufe X). Der derzeit höchste Wert der Stufe X wurde mit X-28 aufgezeichnet.

Bei einer Sonneneruption wird in kurzer Zeit eine große Energiemenge freigesetzt, wodurch verschiedene Arten hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung wie Gammastrahlen und Röntgenstrahlen entstehen. Wenn diese Strahlungen die Erde erreichen, wirken sie sich auf die Ionosphäre der Erde aus und stören das Magnetfeld. Dabei entstehen auch hochenergetische geladene Teilchen, die ebenfalls zu Strahlungsstörungen führen.

Quelle: Baidu Enzyklopädie

Beim koronalen Massenauswurf (CME) handelt es sich um das Phänomen, bei dem die Korona auf der Sonnenoberfläche koronales Material und Plasma in den interplanetaren Raum schleudert.

Diese koronalen Materialien und Hochgeschwindigkeitsplasmamaterialien der koronalen Löcher treffen mit einer Geschwindigkeit von Hunderten von Kilometern pro Sekunde auf die Magnetosphäre der Erde und verursachen eine erhebliche Kompression und Verformung der Magnetosphäre, was wiederum zu schweren Störungen des Erdmagnetfelds und zur Entstehung geomagnetischer Stürme führt.

Quelle des koronalen Massenauswurfs (Baidu-Enzyklopädie)

Das heißt, die kombinierten Effekte von Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen können zu schweren geomagnetischen Stürmen führen. Der in den Nachrichten zu Beginn dieses Artikels erwähnte supergroße geomagnetische Sturm ist ein Phänomen, das durch die Kombination eines Flares der Stärke M1,7 und eines den gesamten Halo umfassenden koronalen Massenauswurfs verursacht wird.

2 Auswirkungen geomagnetischer Stürme

Auf der Erde ist das Polarlicht die direkteste Auswirkung geomagnetischer Stürme.

Wenn ein geomagnetischer Sturm auftritt, gelangen geladene Teilchen im geomagnetischen Feld entlang der magnetischen Feldlinien in die Erdatmosphäre und verursachen Kollisionen zwischen atmosphärischen Molekülen und Atomen, die die Produktion von „Fluoreszenz“ anregen, was wir oft als „Aurora“ bezeichnen.

Quelle der Südlichter am Fox-Gletscher an der Westküste der Südinsel Neuseelands im Jahr 2023 | Nachrichtenagentur Xinhua

Polarlichter treten hauptsächlich in der Nähe des südlichen und nördlichen Polarkreises auf. Je näher am Äquator, je niedriger die Breitengrade, desto seltener sind sie. Nur wenn die Intensität des geladenen Teilchenstroms groß genug ist und unter dem Einfluss des Erdmagnetfelds einen sehr großen geomagnetischen Sturm erzeugt, kann man in den mittleren und niedrigen Breitengraden Polarlichter sehen. Allerdings lässt sich das Polarlicht derzeit nicht genau vorhersagen. Selbst wenn Sie sich zehn Tage lang im Polarkreis aufhalten, werden Sie möglicherweise keine Aurora sehen.

Obwohl das Polarlicht wunderschön ist, können geomagnetische Störungen negative Auswirkungen auf viele menschliche Aktivitäten haben, insbesondere auf die Kommunikationsbranche.

Die bei einer Sonneneruption emittierte ionisierende Strahlung kann die Ionosphäre der Erdatmosphäre stören und zu ionosphärischer Szintillation und ionosphärischer Verzögerung führen, was wiederum den Funkverkehr sowie GPS-Navigations- und Positionierungssysteme beeinträchtigen und zu Positionierungsfehlern oder -unterbrechungen führen kann.

Darüber hinaus können geomagnetische Stürme auch induzierte Ströme in Erdstromnetzen, Ölpipelines und anderen Transportwegen verursachen, was leicht zu Unfällen wie Stromausfällen führen kann. So kam es beispielsweise im Jahr 1989 in Quebec (Kanada) zu einem massiven Stromausfall, der 12 Stunden dauerte und auf einen geomagnetischen Sturm zurückzuführen war.

Geomagnetische Stürme können auch den Betrieb von Raumfahrzeugen beeinträchtigen . Geomagnetische Störungen können zu Änderungen der atmosphärischen Dichte führen, was wiederum zu einer Erhöhung des Luftwiderstands führt und dadurch die Umlaufhöhe von Satelliten, insbesondere von Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen, verringert, was wiederum die Lebensdauer der Satelliten verkürzt.

Der Satellit Skylab wurde 1973 von den Vereinigten Staaten gestartet und sollte zehn Jahre lang in Betrieb sein. Aufgrund des Auftretens mehrerer geomagnetischer Stürme nahm sein Flugwiderstand jedoch zu. Nur vier Jahre später verlor der Satellit seinen stabilen Zustand und stürzte 1979 in die Atmosphäre.

Künstlicher Satellit Quelle: Baidu Encyclopedia

Geomagnetische Stürme können auch die Aktivitäten einiger Tiere beeinflussen, beispielsweise von Brieftauben und Schildkröten, die sich zur Orientierung auf das Geomagnetfeld verlassen. Wenn das Magnetfeld ungeordnet wird, ändern sich ihre Bewegungen und Migrationsrouten.

Gibt es also eine Möglichkeit, das Auftreten geomagnetischer Stürme rechtzeitig zu erkennen?

3. Geomagnetische Sturmwarnmethoden

Im Jahr 2021 startete China seinen ersten Testsatelliten zur Sonnenerkundung, den Xihe , mit dem die Aktivitäten der Sonnenatmosphäre beobachtet und frühzeitig vor geomagnetischen Stürmen gewarnt werden können, sodass rechtzeitig vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden können.

Die Raumsonde Xihe ist mit einem solaren Hɑ-Bildspektrometer ausgestattet, das die Hɑ-Spektrallinie (Wasserstoff-Alpha) erkennen und die Sonne scannen und „Bilder aufnehmen“ kann. Die Hɑ-Spektrallinie ist die Spektrallinie mit der stärksten Reaktion auf Sonnenaktivität in der unteren Atmosphäre. Es kann die Eigenschaften des Quellgebiets von Sonneneruptionen intuitiv widerspiegeln und Wissenschaftlern helfen, den physikalischen Mechanismus von Sonneneruptionen richtig zu verstehen.

Quelle des „Xihe“-Scanbilds der National Space Administration

Durch die Analyse der gescannten Bilder der Sonne können Wissenschaftler die Veränderungen der atmosphärischen Temperatur, Geschwindigkeit usw. während Sonneneruptionen verstehen und so ein vollständiges physikalisches Modell des Sonneneruptionsprozesses erstellen.

Im Jahr 2022 gelang es Xihe erstmals, das solare Hɑ-Bandspektrum zu scannen. Derzeit benötigt Xihe nur 46 Sekunden, um die gesamte Sonnenscheibe zu scannen, was sehr effizient ist.

Darüber hinaus hat das National Space Weather Monitoring and Early Warning Center eine Reihe von Methoden zur Vorhersage der Satellitenumlaufbahn speziell untersucht. Unter Berücksichtigung der Auswirkungen geomagnetischer Stürme auf Satelliten können Satellitenvorhersagen effizient und geordnet durchgeführt werden.

Manche Menschen befürchten, dass häufiger auftretende geomagnetische Stürme zu Veränderungen des Erdmagnetfelds führen könnten. Tatsächlich verändert sich das Magnetfeld der Erde ständig . Im Durchschnitt kehrt sich die Richtung des Erdmagnetfelds alle Millionen Jahre vier- bis fünfmal um, und jede Umkehr dauert einige Tausend bis Zehntausende Jahre.

Schematische Darstellung des Erdmagnetfelds Quelle: Baidu Encyclopedia

Derzeit gibt es keine eindeutigen wissenschaftlichen Untersuchungen, die die Ursache der geomagnetischen Umkehrung beweisen.

Für die Menschheit birgt das Erdmagnetfeld noch viele unentdeckte Geheimnisse. Ich bin davon überzeugt, dass wir dank der kontinuierlichen Durchbrüche und Entwicklungen in Wissenschaft und Technologie in naher Zukunft in der Lage sein werden, den Schleier des Geomagnetfelds zu lüften.