Weltweit konnten vor kurzem viel mehr Menschen als sonst die Nord- und Südlichter mit bloßem Auge sichtbar. Dieses ungewöhnliche Ereignis wurde durch einen sehr starken Sonnensturm ausgelöst, der die Bewegung des Erdmagnetfelds beeinflusste.
Die Sonne erreicht den höchsten Aktivitätspunkt in einem 11-Jahres-Zyklus. Das bedeutet, dass wir mit explosiveren Partikelausstößen rechnen können. Unter den richtigen Umständen sind es diese, die letztendlich die schönen Polarlichter am Himmel erzeugen, sowie die geomagnetischen Stürme, die Infrastruktur wie Stromnetze und umlaufende Satelliten beschädigen können.
Was also verursacht diese Phänomene? Das Nord- und Südlicht kommt normalerweise nur in sehr hohen und sehr niedrigen Breiten vor. Hochenergetische Teilchen von der Sonne strömen zur Erde, geleitet vom Magnetfeld der Sonne. In einem Prozess, der als Rekonnexion bezeichnet wird, werden sie auf das Magnetfeld der Erde übertragen.
Diese sehr schnellen und heißen Partikel rasen dann entlang der magnetischen Feldlinien der Erde – der Kraftrichtung eines Magneten –, bis sie auf ein neutrales, kaltes atmosphärisches Partikel wie Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff treffen. An diesem Punkt geht ein Teil dieser Energie verloren – und dies erwärmt die Umgebung.
Die atmosphärischen Partikel mögen es jedoch nicht, energiereich zu sein, also geben sie einen Teil dieser Energie im sichtbaren Lichtbereich ab. Je nachdem, welches Element zu heiß ist, werden Sie nun eine andere Reihe von Wellenlängen – und damit Farben – sehen, die im sichtbaren Lichtbereich des elektromagnetischen Spektrums emittiert werden. Dies ist die Quelle der Polarlichter, die wir in hohen Breitengraden und bei starken Sonnenereignissen auch in niedrigeren Breitengraden sehen können.
Die Blau- und Violetttöne der Aurora kommen von Stickstoff, während die Grün- und Rottöne vom Sauerstoff stammenDieser spezielle Prozess findet ständig statt, aber da das Magnetfeld der Erde in seiner Form einem Stabmagnetender Bereich, der durch die einfallenden Partikel mit Energie versorgt wird, liegt in sehr hohen und niedrigen Breiten (Polarkreis oder Antarktis im Allgemeinen).
Was also ist passiert, dass wir das Polarlicht jetzt viel weiter südlich auf der Nordhalbkugel sehen können?
Du erinnerst dich vielleicht an die Schule Eisenspäne streuen auf einem Papier auf einem Magneten, um zu sehen, wie sie sich im Magnetfeld ausrichten. Sie können das Experiment mehrmals wiederholen und jedes Mal dieselbe Form sehen.
Der Magnetfeld der Erde ist ebenfalls konstant, kann aber je nach Sonneneinstrahlung komprimiert und freigegeben werden. Man kann sich das leicht vorstellen, indem man sich zwei halb aufgeblasene Luftballons vorstellt, die zusammengedrückt werden.
Wenn Sie einen Ballon aufblasen und mehr Gas hinzufügen, erhöht sich der Druck und der kleinere Ballon wird zurückgedrückt. Wenn Sie das zusätzliche Gas ablassen, entspannt sich der kleinere Ballon und wird wieder herausgedrückt.
Für uns ist klar: Je stärker dieser Druck ist, desto näher werden die relevanten magnetischen Feldlinien an den Äquator verschoben, was bedeutet, dass Polarlichter sichtbar werden.
Außergewöhnliche Stürme
Und hier liegen auch die potenziellen Probleme: Ein bewegtes Magnetfeld kann einen Strom erzeugen in allem, was Elektrizität leitet.
Bei moderner Infrastruktur werden die größten Ströme in Stromleitungen, Bahngleisen und unterirdischen Rohrleitungen erzeugt. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung ist ebenfalls wichtig und wird verfolgt, indem gemessen wird, wie stark das Magnetfeld vom „Normalzustand“ abweicht. Eine solche von Forschern verwendete Messung ist die Index für die Zeit gestörter Stürme.
Nach diesem Maßstab waren die geomagnetischen Stürme vom 10. und 11. Mai außergewöhnlich stark. Bei einem so starken Sturm besteht die potenzielle Gefahr, dass elektrische Ströme induziert werden. Stromleitungen sind am stärksten gefährdet, profitieren jedoch von den in Kraftwerken eingebauten Schutzvorrichtungen. Diese stehen seit dem geomagnetischer Sturm von 1989 bei dem ein Stromtransformator in Quebec (Kanada) schmolz und es zu einem stundenlangen Stromausfall kam.
Gefährdeter sind metallische Rohrleitungen, die korrodieren, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Dies ist kein sofortiger Effekt, sondern es kommt zu einer langsamen Ansammlung von erodierendem Material. Dies kann sehr starke Auswirkungen auf die Infrastruktur haben, ist aber sehr schwer zu erkennen.
Während Strömungen am Boden ein Problem darstellen, sind sie noch mehr ein Herausforderung im Weltraum. Satelliten haben nur eine begrenzte Erdung und ein Stromstoß kann Instrumente und Kommunikationsgeräte zerstören. Wenn ein Satellit auf diese Weise die Kommunikation verliert, wird er als Zombiesatellit bezeichnet und geht oft vollständig verloren – was einen sehr hohen Investitionsverlust zur Folge hat.
Die Veränderungen im Erdmagnetfeld können sich auch auf das hindurchtretende Licht auswirken. Wir können diese Veränderung nicht sehen, aber die Genauigkeit von GPS-Ortungssystemen kann stark beeinträchtigt werden, da die Standortbestimmung von der Zeit abhängt, die zwischen Ihrem Gerät und einem Satelliten vergeht. Die Zunahme der Elektronendichte (die Anzahl der Teilchen auf dem Weg des Signals) führt zu einer Krümmung der Welle, was bedeutet, dass sie länger braucht, um Ihr Gerät zu erreichen.
Die gleichen Änderungen können sich auch auf die Bandbreitengeschwindigkeit des Satelliteninternets und die Strahlungsgürtel des Planeten. Dabei handelt es sich um einen Torus aus hochenergetischen geladenen Teilchen, hauptsächlich Elektronen, etwa 13.000 km von der Oberfläche entfernt. Ein geomagnetischer Sturm kann schieben diese Partikel in die untere Atmosphäre. Hier können die Partikel stören Hochfrequenzfunk (HF) für Flugzeuge und die Ozonkonzentration beeinflussen.
Polarlichter sind nicht nur auf der Erde zu finden – viele Planeten haben sie und sie können uns viel über die Magnetfelder dieser Himmelskörper verraten. Ein spezielles Gerät zur Simulation von Polarlichtern ist eine „Planeterella“, die erstmals Anfang des 20. Jahrhunderts von norwegischen Wissenschaftlern entwickelt wurde. Kristian Birkeland.
Eine magnetische Kugel (die die Erde darstellt) wird in eine Vakuumkammer gelegt und der Sonnenwind wird durch das Abfeuern von Elektronen auf die Kugel simuliert. Wir haben zwei dieser Instrumente in Großbritannien an Universitäten und hier an der Nottingham Trent University habe ich kürzlich einem Studenten beim Bau eines Budgetversion als Masterarbeit.
Durch Veränderung der magnetischen Feldstärke und der Entfernung zwischen Objekten können Sie beobachten, wie sich Polarlichter verändern. Die Emission ist überwiegend violett, wie man es in einer Atmosphäre mit 72 % Stickstoff erwarten würde. Oben, wo man auf der Erde das Polarlicht sehen würde, erscheint ein starker Emissionsring, und dieser Ring bewegt sich je nach magnetischer Feldstärke in der Breite auf und ab.
Als Naturphänomen sind Polarlichter ein Wunder. Noch besser ist jedoch, dass wir bei jedem starken geomagnetischen Sturm Verbesserungen vornehmen, die zum Schutz vor möglichen Schäden durch zukünftige Ereignisse beitragen.
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