Magnetischer Sturm

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

Definition und Entstehung

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 index) 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 Erdmagnetfelds, das nach etwa zwölf Stunden sein Minimum erreicht.

Auswirkungen

Magnetische Stürme können vielfältige Auswirkungen haben, wobei die bekanntesten das Auftreten von Polarlichtern (Aurora borealis oder Aurora australis) in gemäßigten Zonen wie z. B. Mitteleuropa sind. In elektrischen Stromnetzen können die ausgelösten geomagnetisch induzierten Ströme zu unmittelbaren Schäden an Leistungstransformatoren führen.

Zeitliche Schwankungen des Erdmagnetfelds 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.

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 einer erhöhten kosmischen Strahlung ausgesetzt, weil dort das Erdmagnetfeld generell weniger schützt. Da das Wachstum von Bäumen in erhöhter Sonnenaktivität anscheinend schneller verläuft, weisen sie eine 11-jährige Periode in ihren Jahresringen auf. Die Gründe hierfür sind noch nicht geklärt.[2]

Unter anderem durch vorübergehende Änderungen in der Ionosphäre können zeitweilig Funkübertragungen (z. B. Rundfunk oder Mobilfunk) gestört werden. In langgestreckten elektrischen Leitern wie z. B. Überlandleitungen können Ausgleichsströme von teils beachtlicher Stärke fließen, die zum Ausfall der angekoppelten Transformatorstationen führen können.[3] Pipelines sind während magnetischer Stürme einer erhöhten Korrosion ausgesetzt.

Bevor die Schockwellenfront auf die Erde trifft 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 zu einer Verformung der oberen Erdatmosphäre führen, was zu einem erhöhten „Luftwiderstand“ für Satelliten in niedrigen Orbits (Low Earth Orbit, LEO) führen kann. Bahnänderungen oder erhöhter Treibstoffverbrauch wären 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. Dieses und die Verzerrungen der Laufzeiten, die beim Durchgang der Signale durch Ionenwolken entstehen, macht GPS-Satelliten besonders anfällig. [4]

Die Auswirkungen eines geomagnetischen Sturms wie dem Carrington-Ereignis im Jahre 1859 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. 2014 schlugen Forscher ein aus 16 Satelliten bestehendes Weltraumwetter-Frühwarnsystem vor.[5][6] Das US Amerikanische Militär stuft die Auswirkungen eines schweren Magnetsturmes wie einen militärischen Angriff ein, siehe "The Sun as a Non-state Actor: The Implications on Military Operations and Theater Security of a Catastrophic Space Weather Event" [7] Die britische Royal Academy Of Engineering sieht zwar auch deutliche Gefahren, ist aber zurückhaltender. [8]

Geschichte

  • Magnetische Stürme wurden bereits im frühen 19. Jahrhundert beobachtet. Alexander von Humboldt untersuchte von Mai 1806 bis Juni 1807 die Variation 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.
  • 1859 wurde in der Nacht vom 1. zum 2. September der bisher mächtigste geomagnetische Sturm registriert, der heute als Carrington-Ereignis bezeichnet wird. Er führte zu Polarlichtern, die selbst in Rom, Havanna und Hawaii – also äquatornah – beobachtet werden konnten.[9] In den höheren Breiten Nordeuropas und Nordamerikas schossen Starkströme durch Telegrafenleitungen, diese schlugen Funken, Telegrafenpapiere 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 geomagnetischer Sturm in Überlandleitungen Ströme, die zehnmal so stark waren wie bei dem folgenden Ereignis im März 1989.[10]
  • 1967 Ein magnetischer Sturm führt am 23. Mai 1967 zu Störungen der Radaranlagen des amerikanischen Raketenfrühwarnsystems und löste beinahe einen Atomkrieg aus. [11][12][13]
  • 1989 führte ein heftiger geomagnetischer Sturm in Québec durch geomagnetisch induzierte Ströme zu thermischen Ausfall mehrerer Transformatoren mit der Folge eines 9-stündigen Stromausfalls 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.[14]
  • Zwischen dem 19. Oktober und dem 5. November 2003 wurden siebzehn größere Flares beobachtet. Darunter war der stärkste bis dahin festgestellte Flare: ein Klasse X28-Flare,[15] der am 4. November zu sehr starken Störungen des Funkverkehrs führte. In der Folge trafen mehrere koronale Massenauswürfe (KMA) die Erde, die zu sich zeitlich überlappenden Magnetstürmen mit maximalen Dst-Werten von −383 nT, −353 nT und −151 nT führten. Am 30. Oktober fiel auf Grund der hohen erdmagnetischen Aktivität im schwedischen Malmö für 20 bis 50 Minuten ein Teil des Stromnetzes aus. Davon waren 50.000 Stromkunden betroffen. Weil die technischen Anlagen für die Luftüberwachung für 30 Stunden ausgefallen waren, wurden Luftkorridore in Nord-Kanada für Passagierflugzeuge geschlossen. Zeitweise setzten Signale der Satelliten- und Navigationssysteme 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.[16]
  • Nach Analysen von Beobachtungsdaten der STEREO-Sonden gaben Forscher der NASA 2014 bekannt, dass die Erde zwei Jahre zuvor, am 23. Juli 2012, einem solaren Supersturm knapp entgangen war.[19][20] Das Ereignis wäre mindestens so stark wie das Carrington-Ereignis von 1859 gewesen.[21]

Siehe auch

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. Universität 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

Einzelnachweise

  1. ↑ Dst Index beim World Data Center for Geomagnetism, Kyoto, Japan
  2. ↑ Cornelsen Verlag; Astronomie Plus; 1. Auflage, 5. Druck 2011/06;  S. 83
  3. ↑ Geomagnetically Induced Currents In The Uruguayan High-Voltage Power Grid Autoren:Caraballo Bettuci Tancredi vom 16.August 2013
  4. ↑ Ionospheric threats to the integrity of airborne GPS use Dissertation von Seebany Datta-Barua Februar 2008
  5. ↑ Humanity 'risks catastrophe from a solar superstorm’ telegraph.co.uk
  6. ↑ Scientist underlines threat of inevitable “solar super-storms” physicsworld.com, abgerufen am 4. August 2014
  7. ↑ The Sun as a Non-state Actor: The Implications on Military Operations and Theater Security of a Catastrophic Space Weather, Autor: Maj. Kabat Naval War College Newport, R.I. 30th May 2010
  8. ↑ Extreme space weather: impacts on engineered systems and infrastructure / Royal Academy Of Engineering, Februar 2013
  9. ↑ NASA Scientist Dives into Perfect Space Storm National Aeronautics and Space Administration/Jet Propulsion Laboratory, 23. Oktober 2003
  10. ↑ [1]NASA - Severe Space Weather Events--Understanding Societal and Economic Impacts Workshop Report, S. 90
  11. ↑ http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-20494-2016-08-11.html
  12. ↑ Jan Hattenbach: Gefährliches Weltraumwetter: Als die Sonne fast den 3. Weltkrieg auslöste In: Frankfurter Allgemeine vom 17. August 2016
  13. ↑ Knapp am Atomkrieg vorbei – wie Physiker 1967 die Welt retteten In: SRF vom 19. August 2016
  14. ↑ 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
  15. ↑ 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.
  16. ↑ Halloween Space Weather Storms of 2003 NOAA Technical Memorandum OAR SEC-88, Space Environment Center, Boulder, Colorado, June 2004
  17. ↑ Spiegel Online: Sonnensturm könnte GPS-Empfang stören, 8. Juni 2011.
  18. ↑ Nasa Pressemeldung über den Ausbruch am 7. Juni 2011 (Bild- und Videomaterial)
  19. ↑ Neue Satellitendaten: Extremer Sonnensturm verfehlte die Erde spiegel.de
  20. ↑ Near Miss: The Solar Superstorm of July 2012 nasa.gov, abgerufen am 28. Juli 2014
  21. ↑ D. N. Baker. et al.: Amajor solar eruptive event in July 2012:Defining extreme space weather scenarios. SPACE WEATHER, VOL. 11, 585–591, doi:10.1002/swe.20097, 2013


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