Polarlichter, die durch Frontaleinschläge auf das Erdmagnetfeld entstehen, könnten kritische Infrastruktur beschädigen, sagen Wissenschaftler

Polarlichter inspirieren seit Jahrtausenden Mythen und Omen – aber erst jetzt, da moderne Technologien auf Elektrizität angewiesen sind, erkennen wir ihre wahre Kraft. Dieselben Kräfte, die Polarlichter verursachen, erzeugen auch Strömungen, die stromführende Infrastrukturen wie Pipelines beschädigen können.

Nun schreiben Wissenschaftler in Grenzen der Astronomie und Weltraumwissenschaften haben gezeigt, dass der Aufprallwinkel interplanetarer Schockwellen entscheidend für die Stärke der Strömungen ist. Dies bietet die Möglichkeit, gefährliche Schockwellen vorherzusagen und kritische Infrastrukturen zu schützen.

„Auroren und geomagnetisch induzierte Ströme werden durch ähnliche Weltraumwetterfaktoren verursacht“, erklärte Dr. Denny Oliveira vom Goddard Space Flight Center der NASA, Hauptautor des Artikels. „Die Aurora ist eine visuelle Warnung, die darauf hinweist, dass elektrische Ströme im Weltraum diese geomagnetisch induzierten Ströme auf der Erde erzeugen können.“

„Die Polarlichtregion kann sich während schwerer geomagnetischer Stürme stark ausdehnen“, fügte er hinzu. „Normalerweise liegt ihre südlichste Grenze bei etwa 70 Grad Breite, aber bei extremen Ereignissen kann sie bis auf 40 Grad oder sogar noch weiter sinken, was beim Sturm im Mai 2024 – dem schwersten Sturm der letzten zwei Jahrzehnte – definitiv der Fall war.“

Licht, Farbe, Action

Polarlichter entstehen durch zwei Prozesse: Entweder gelangen von der Sonne ausgestoßene Partikel in das Magnetfeld der Erde und verursachen einen geomagnetischen Sturm, oder interplanetare Schocks komprimieren das Magnetfeld der Erde.

Diese Erschütterungen erzeugen außerdem geomagnetisch induzierte Ströme, die die stromführende Infrastruktur beschädigen können. Stärkere interplanetare Erschütterungen bedeuten stärkere Ströme und Polarlichter – aber auch häufige, weniger starke Erschütterungen können Schaden anrichten.

„Die wohl schlimmsten Auswirkungen auf die Energieinfrastruktur traten im März 1989 nach einem schweren geomagnetischen Sturm auf. Das Stromnetz von Hydro-Quebec in Kanada war fast neun Stunden lang außer Betrieb und Millionen Menschen hatten keinen Strom“, sagte Oliveira.

„Aber schwächere, häufigere Ereignisse wie interplanetare Schockwellen können mit der Zeit eine Gefahr für Erdleiter darstellen. Unsere Arbeit zeigt, dass nach Schockwellen recht häufig beträchtliche geoelektrische Ströme auftreten, und diese verdienen unsere Aufmerksamkeit.“

Es wird angenommen, dass Erschütterungen, die die Erde frontal und nicht in einem Winkel treffen, stärkere geomagnetisch induzierte Ströme erzeugen, da sie das Magnetfeld stärker komprimieren. Die Wissenschaftler untersuchten, wie sich Erschütterungen in verschiedenen Winkeln und zu verschiedenen Tageszeiten auf geomagnetisch induzierte Ströme auswirken.

Zu diesem Zweck verglichen sie eine Datenbank interplanetarer Schocks mit Messwerten geomagnetisch induzierter Ströme aus einer Erdgaspipeline im finnischen Mäntsälä, die sich während aktiver Zeiten im Allgemeinen in der Polarlichtregion befindet.

Um die Eigenschaften dieser Schockwellen wie Winkel und Geschwindigkeit zu berechnen, nutzten sie Daten über interplanetare Magnetfelder und Sonnenwinde. Die Schockwellen wurden in drei Gruppen unterteilt: stark geneigte Schockwellen, mäßig geneigte Schockwellen und nahezu frontale Schockwellen.

Angriffswinkel

Sie fanden heraus, dass mehr Frontalstöße sowohl unmittelbar nach dem Stoß als auch während des folgenden Substorms höhere Spitzenwerte der geomagnetisch induzierten Ströme verursachen. Besonders intensive Spitzenwerte traten um die magnetische Mitternacht auf, wenn sich der Nordpol zwischen der Sonne und Mäntsälä befunden hätte. Lokale Substorms zu dieser Zeit verursachen auch eine auffällige Aufhellung der Polarlichter.

„Mäßige Strömungen treten kurz nach dem Störungseinschlag auf, wenn es in Mäntsälä etwa zur Abenddämmerung Ortszeit ist, während stärkere Strömungen gegen Mitternacht Ortszeit auftreten“, sagte Oliveira.

Da sich die Winkel dieser Erschütterungen bis zu zwei Stunden vor dem Aufprall vorhersagen lassen, könnten wir mithilfe dieser Informationen Schutzmaßnahmen für Stromnetze und andere empfindliche Infrastrukturen ergreifen, bevor die stärksten und heftigsten Erschütterungen eintreten.

„Um ihre Anlagen zu schützen, könnten die Betreiber von Strominfrastrukturen beispielsweise bestimmte Stromkreise überwachen, wenn ein Stromschlagalarm ausgelöst wird“, schlug Oliveira vor. „Dadurch ließe sich verhindern, dass geomagnetisch induzierte Ströme die Lebensdauer der Anlagen verkürzen.“

Allerdings konnten die Wissenschaftler keinen starken Zusammenhang zwischen dem Winkel einer Erschütterung und der Zeit feststellen, die sie braucht, um aufzuschlagen und dann einen Strom zu erzeugen. Dies könnte daran liegen, dass zur Untersuchung dieses Aspekts mehr Aufzeichnungen von Strömungen in unterschiedlichen Breitengraden erforderlich sind.

„Die aktuellen Daten wurden nur an einem bestimmten Ort erhoben, nämlich am Erdgasleitungssystem von Mäntsälä“, warnte Oliveira.

„Obwohl Mäntsälä an einem kritischen Ort liegt, liefert es kein weltweites Bild. Darüber hinaus fehlen in den Mäntsälä-Daten mehrere Tage im untersuchten Zeitraum, was uns dazu zwang, viele Ereignisse in unserer Schockdatenbank zu verwerfen. Es wäre schön, wenn Energieunternehmen weltweit ihre Daten den Wissenschaftlern für Studien zugänglich machen würden.“