Eine Studie eines internationalen Teams unter der Leitung von Forschern der Nagoya University in Japan und der University of New Hampshire in den Vereinigten Staaten hat die Bedeutung der oberen Erdatmosphäre für die Entwicklung großer geomagnetischer Stürme aufgezeigt.
Ihre Erkenntnisse, veröffentlicht In Naturkommunikation, offenbaren die bisher unterschätzte Bedeutung der Erdatmosphäre. Es ist wichtig, die Faktoren zu verstehen, die geomagnetische Stürme verursachen, da sie direkte Auswirkungen auf das Erdmagnetfeld haben können, indem sie beispielsweise unerwünschte Ströme im Stromnetz verursachen und Funksignale und GPS stören. Diese Forschung kann dabei helfen, die Stürme vorherzusagen, die die größten Folgen haben werden.
Wissenschaftler wissen seit langem, dass geomagnetische Stürme mit den Aktivitäten der Sonne zusammenhängen. Heiße geladene Teilchen bilden die äußere, für uns sichtbare Schicht der Sonne. Diese Partikel strömen aus der Sonne, erzeugen den „Sonnenwind“ und interagieren mit Objekten im Weltraum, wie zum Beispiel der Erde. Wenn die Teilchen das unseren Planeten umgebende Magnetfeld, die sogenannte Magnetosphäre, erreichen, interagieren sie mit ihm.
Die Wechselwirkungen zwischen geladenen Teilchen und Magnetfeldern führen zum Weltraumwetter, den Bedingungen im Weltraum, die sich auf die Erde und technische Systeme wie Satelliten auswirken können.
Ein wichtiger Teil der Magnetosphäre ist der Magnetschweif. Der Magnetschweif ist der Teil der Magnetosphäre, der sich von der Sonne weg in Richtung des Sonnenwindflusses erstreckt. Im Inneren des Magnetschweifs befindet sich der Plasmaschichtbereich, der voller geladener Teilchen (Plasma) ist. Die Plasmaschicht ist wichtig, weil sie die Quellregion für die Partikel ist, die in die innere Magnetosphäre gelangen und den Strom erzeugen, der geomagnetische Stürme verursacht.
Obwohl die Bedeutung der Sonne bekannt ist, wollte eine internationale Forschergruppe das Rätsel lösen, wie viel des Plasmas in der Magnetosphäre von der Erde stammt und wie sich dieser Beitrag während eines geomagnetischen Sturms ändert.
Die Gruppe wurde von Lynn Kistler, designierte Professorin der Universität Nagoya und Professorin der University of New Hampshire (gegenseitige Ernennung), Yoshizumi Miyoshi, Professorin der Universität Nagoya, und Tomoaki Hori, designierte Professorin der Universität Nagoya, geleitet.
Für ihre Studie nutzten sie Daten eines großen geomagnetischen Sturms, der sich vom 7. bis 8. September 2017 ereignete. Während dieser Zeit löste die Sonne einen massiven koronalen Massenauswurf aus, der mit der Erdatmosphäre kollidierte und einen riesigen geomagnetischen Sturm auslöste. Der Aufprall störte die Magnetosphäre und führte zu Störungen von Funksignalen, GPS und Präzisionszeitmessungsanwendungen.
Die Forscher analysierten den Ionentransport während dieses Ereignisses retrospektiv anhand von Daten mehrerer Weltraummissionen, darunter der NASA/Magnetospheric Multiscale (MMS)-Mission, der japanischen Arase-Mission, der ESA/Cluster-Mission und der NASA/Wind-Mission. Sie unterschieden die Ionen von denen des Sonnenwinds und denen der Ionosphäre selbst.
Durch gleichzeitige Messungen der Sonnenwindzusammensetzung zur Verfolgung der Quellenveränderungen identifizierten sie erhebliche Veränderungen in der Zusammensetzung und anderen Eigenschaften der erdnahen Plasmaschicht während ihrer Entwicklung. Diese Eigenschaften der Plasmaschicht, wie Dichte, Teilchenenergieverteilung und Zusammensetzung, beeinflussen die Entwicklung des geomagnetischen Sturms.
Zu Beginn der Hauptphase des Sturms wechselte die Quelle von dominiertem Sonnenwind zu dominierter Ionosphäre. „Die wichtigste Entdeckung war, dass sich das Plasma zu Beginn des geomagnetischen Sturms von überwiegend solar zu überwiegend ionosphärisch veränderte“, erklärte Kistler. „Dies zeigt, dass der geomagnetische Sturm zu mehr Abfluss aus der Ionosphäre der Erde führt und dass sich das ionosphärische Plasma schnell durch die Magnetosphäre bewegen kann.“
„Insgesamt trägt unsere Forschung zum Verständnis der Entstehung geomagnetischer Stürme bei, indem sie die Bedeutung des ionosphärischen Plasmas der Erde zeigt“, fährt sie fort.
„Wir haben überzeugende Beweise dafür gefunden, dass Plasmen nicht nur von der Sonne, sondern auch von der Erde einen geomagnetischen Sturm auslösen. Kurz gesagt, die Eigenschaften der Plasmaschicht (die Dichte, die Teilchenenergieverteilung, die Zusammensetzung) beeinflussen geomagnetische Stürme und diese Eigenschaften.“ sind je nach Quelle unterschiedlich.“
Mehr Informationen:
LM Kistler et al., Die variable Quelle der Plasmaschicht während eines geomagnetischen Sturms, Naturkommunikation (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-41735-3