Magnetischer Sturm

Als magnetischen Sturm bezeichnet man eine Störung der Magnetosphäre eines Planeten bzw. speziell der Erde (geomagnetischer Sturm).

Definition und Entstehung

Ein Magnetsturm, oder hier genauer ein Erdmagnetsturm wird definiert durch die von ihm verursachten Änderungen des Erdmagnetfelds, gemessen in der Einheit Tesla ([T]). Zur Klassifizierung wird u. a. der DST-Index (disturbance storm time) herangezogen, der die global gemittelte Abschwächung des horizontalen Erdmagnetfelds anhand von Messungen einiger weltweit verteilter Messstationen angibt. Dieser Wert wird stündlich ermittelt und steht in nahezu Echtzeit zur Verfügung^[1]. Es gibt viele Einflüsse auf das Magnetfeld, daher sind Schwankungen um ±20 nT normal. Zum Vergleich: In Mitteleuropa beträgt die horizontale Komponente des normalen Erdmagnetfelds ca. 20 µT, also 20.000 nT.

Ein geomagnetischer Sturm wird typischerweise in drei Phasen unterteilt. Die Anfangsphase zeichnet sich durch eine Schwächung des Magnetfelds um etwa 20-50 nT innerhalb einiger Dutzend Minuten aus. Nicht jedem Sturmereignis geht eine solche Anfangsphase voraus und umgekehrt folgt auch nicht jeder derartigen Störung des Magnetfelds ein Magnetsturm. Die eigentliche Sturmphase beginnt, wenn die Störung größer als 50 nT wird, wobei es sich um eine willkürlich gezogene Grenze handelt. Im Laufe eines typischen Magnetsturms wächst die Störung weiter an. Die Stärke eines Erdmagnetsturms wird als moderat bezeichnet, wenn die maximale Störung weniger als 100 nT beträgt, intensiv, wenn die Störung 250 nT nicht überschreitet und ansonsten als Supersturm. Nur selten wird eine maximale Abschwächung von etwa 650 nT überschritten, was etwa drei Prozent des Normalwerts entspricht. Die Phase dauert einige wenige Stunden und endet, sobald die Stärke der Störung sinkt, also das Erdmagnetfeld wieder beginnt zu seiner typischen Stärke anzuwachsen. Diese Erholungsphase endet mit dem Erreichen des Normalwerts und kann zwischen 8 Stunden und einer Woche dauern.

Die Störung wird ausgelöst von Schockwellenfronten des Sonnenwinds, die durch Sonneneruptionen oder koronale Massenauswürfe (KMA) entstehen und etwa 24 bis 36 Stunden benötigen, um die Erde zu erreichen. Sie dauert etwa 24 bis 48 Stunden an, in Einzelfällen mehrere Tage – in Abhängigkeit von der Störungsursache auf der Sonne. Das Auftreffen der Schockfront, bestehend aus elektrisch geladenen Teilchen, auf die Magnetosphäre führt zu einer Abschwächung des Erdmagnetfeldes, das nach etwa zwölf Stunden sein Minimum erreicht. Wegen ihrer Wirkung auf das Erdmagnetfeld nennt man das Ereignis auch einen Magnetsturm.

Auswirkungen

Zeitliche Schwankungen des Erdmagnetfeldes durch einen magnetischen Sturm am 31. März 2001, gemessen in Ile-Ife, Nigeria. Auf der Abszisse ist die Zeit in Minuten (GMT) aufgetragen, auf den Ordinaten die Magnetfeldstärke in Nanotesla [nT] (Minutenmittel). Die grüne Kurve zeigt den sq-Gang (ohne magnetischen Sturm) in Ile-Ife an.

Magnetische Stürme können vielfältige Auswirkungen haben, wobei die bekannteste das Auftreten von Polarlichtern (Aurora borealis oder Aurora australis) in gemäßigten Zonen wie z. B. Mitteleuropa ist.

Zunächst beeinflussen Magnetstürme das Erdmagnetfeld, und dieses wiederum die Ausbildung des Van-Allen-Gürtels. Damit sind bei besonders starken Magnetstürmen alle Lebewesen besonders in den Polregionen, weil dort das Erdmagnetfeld generell weniger schützt, einer erhöhten kosmischen Strahlung ausgesetzt.

Unter anderem durch vorübergehende Änderungen in der Ionosphäre können zeitweilig Funkübertragungen (z. B. Rundfunk oder Mobilfunk) gestört werden, aber für unsere technisierte Welt ist eine andere Wirkung noch viel bedrohender: In langgestreckten elektrischen Leitern wie z. B. Überlandleitungen und Pipelines können Ströme von teils beachtlicher Stärke induziert werden, die dann zu dauerhaften Schäden führen können.

Bevor die Schockwellenfront auf die Erde trifft, also bevor man eigentlich von einem Magnetsturm reden kann, kann sie schon Schäden an Satelliten verursachen. Das ist neben den direkten Schäden durch Strominduktion wie auf der Erdoberfläche auch noch auf eine andere, indirektere Weise möglich: Die Schockwelle kann zu einer lokalen Aufheizung und damit einer Verformung der oberen Erdatmosphäre führen, was in einem erhöhten Luftwiderstand für Satelliten in niedrigen Orbits (Low Earth Orbit, LEO) resultieren kann. Bahnänderungen oder erhöhter Treibstoffverbrauch sind dann die Folge. Insgesamt, so schätzte die europäische Weltraumorganisation ESA, entstand in den letzten Jahren allein wegen Ausfalls von Satelliten ein Schaden von mehr als 500 Millionen Dollar.

Die Auswirkungen eines Sonnensturms wie dem von 1859 (siehe Abschnitt „Geschichte“) wären heute verheerend. Denn zur damaligen Zeit gab es weder Internet, noch war die Welt so global vernetzt wie heute und abhängig von der Stromversorgung.

Geschichte

Magnetische Stürme wurden bereits im frühen 19. Jahrhundert beobachtet. Alexander von Humboldt untersuchte von Mai 1806 bis Juni 1807 die Variationen der Richtung, in die ein magnetischer Kompass in Berlin wies. Er registrierte am 21. Dezember 1806 starke Störungen und konnte in der folgenden Nacht Polarlichter sehen; am nächsten Morgen waren die Störungen vorbei. Weitere magnetische Stürme:

• 1859 wurde in der Nacht vom 1. zum 2. September der bisher mächtigste Sonnensturm registriert. Er führte zu Polarlichtern, die selbst in Rom, Havanna und Hawaii beobachtet werden konnten^[2]. In den höheren Breiten Nordeuropas und Nordamerikas schossen Starkströme durch Telegrafenleitungen, diese schlugen Funken, Papiere fingen Feuer und das gerade weltweit installierte Telegrafennetz wurde massiv beeinträchtigt. Eiskernuntersuchungen zeigen, dass ein Ereignis dieser Stärke im statistischen Mittel alle 500 Jahre auftritt.

• 1921 erzeugte ein großer Sonnensturm in Überlandleitungen Ströme, die zehnmal so stark waren wie bei dem folgenden Ereignis im März 1989.^[3]

• 1989 führte ein heftiger Sturm in Québec zu einer Überlastung des Stromnetzes und verursachte einen 9-stündigen Stromausfall in der Region um Montreal. Dieser verursachte ein Chaos, weil Verkehrsleitsysteme, Flughäfen sowie die Fernwärmeversorgung ausfielen. Sechs Millionen Menschen waren betroffen. Der ermittelte DST-Index betrug -589 nT.

• Am 14. Juli 2000 wurde ein Klasse X5-Flare auf der Sonne beobachtet, dessen koronaler Massenauswurf direkt auf die Erde gerichtet war. Nach Eintreffen der Schockfront auf der Erde wurde zwischen dem 15. und 17. Juli ein Supersturm gemessen mit einer maximalen Störung von -301 nT. Technische Ausfälle wurden keine bekannt.^[4]

• Zwischen dem 19. Oktober und dem 5. November 2003 wurden siebzehn größere Flares beobachtet, darunter einer der bisher stärksten beobachteten Flares überhaupt: ein Klasse X28-Flare^[5], der am 4. November zu sehr starken Störungen des Funkverkehrs führte. In der Folge trafen mehrere KMA die Erde, die zu sich zeitlich überlappenden Magnetstürmen mit maximalen DST-Werten von -383 nT, -353 nT und -151 nT führten. In diesem Zeitraum fiel im schwedischen Malmö das gesamte regionale Stromnetz aus, Luftkorridore in Nord-Kanada wurden für Passagierflugzeuge geschlossen (weil die technischen Anlagen für die Luftüberwachung für 30 Stunden ausgefallen waren) und Signale der Satelliten- und Navigationssysteme setzten zeitweise aus. Nach japanischen Angaben war die Partikelwolke 13-mal so groß wie die Erde und mit 1,6 Mio. km/h unterwegs. Bis in tropische Regionen waren Polarlichter zu sehen.^[6]

• Im Juni 2011 verursachte ein weiterer Magnetsturm eine kurzzeitige Fehlfunktion der Sonde Venus Express, darüber hinaus wurde vor einem möglichen Ausfall des Navigationssatellitensystems GPS gewarnt.^[7] Die Eruption am 7. Juni wurde unter anderen vom Solar Dynamics Observatory (SDO), einem für die Sonnenbeobachtung konzipierten Satelliten beobachtet.^[8]

Einzelnachweise

1. ↑ DST Index beim World Data Center for Geomagnetism, Kyoto, Japan
2. ↑ NASA Scientist Dives into Perfect Space Storm National Aeronautics and Space Administration/Jet Propulsion Laboratory, 23. Oktober 2003
3. ↑ [1]NASA - Severe Space Weather Events--Understanding Societal and Economic Impacts Workshop Report, S.90
4. ↑ Severe Space Weather Events - Understanding Societal and Economic Impacts – Workshop Report, National Research Council of the National Academies, The National Academies Press, Washington, D. C., 2008
5. ↑ Thomson, N. R., C. J. Rodger, and R. L. Dowden (2004), Ionosphere gives size of greatest solar flare, Geophys. Res. Lett., 31, L06803, doi:10.1029/2003GL019345
6. ↑ Halloween Space Weather Storms of 2003, NOAA Technical Memorandum OAR SEC-88, Space Environment Center, Boulder, Colorado, June 2004
7. ↑ Spiegel Online: Sonnensturm könnte GPS-Empfang stören, 8. Juni 2011.
8. ↑ Nasa Pressemeldung über den Ausbruch am 7. Juni 2011 (Bild- und Videomaterial)

Literatur

• Syun-ichi Akasofu: Polar and magnetospheric substorms. Reidel, Dordrecht 1968.
• Charles F. Kennel: Convection and substorms. Oxford Univ. Press, New York 1995, ISBN 0-19-508529-9.
• John W. Freeman: Storms in space. Cambridge Univ. Press, Cambridge 2001, ISBN 0-521-66038-6.
• Bruce Tsurutani: Recurrent magnetic storms. AGU, Washington 2009, ISBN 978-0-87590-432-0.
• Doris Sachsenweger: Untersuchungen zur Beschleunigung von Ionen in der Plasmaschicht während magnetosphärischer Teilstürme. Uni München, München Februar 1990 (Dissertation).
• Sten F. Odenwald, James L. Green: Solare Superstürme - die verkannte Gefahr In: Spektrum der Wissenschaft 03/2009, ISSN 0170-2971, S. 24–31.

Weblinks

• Space Environment Center der NOAA mit aktuellen Warnmeldungen über geomagnetische Stürme (englisch)
• Artikel auf RP Online
• Kp-Indizes seit 1932
• NASA-Sonnenwettervorhersage vom 29. Mai 2009
• Space Weather (englisch)
• Was sind Sonnenflecken und Sonnenstürme? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri