Geomagnetische Stürme können das Leben auf der Erde bedrohen – Schwarm und Cluster liefern neue Einblicke in das Weltraumwetter

Das Magnetfeld und die elektrischen Ströme in und um die Erde erzeugen komplexe Kräfte, die unermessliche Auswirkungen auf das tägliche Leben haben. Das Feld kann man sich als riesige Blase vorstellen, die uns vor kosmischer Strahlung und geladenen Teilchen schützt, die die Erde in Sonnenwinden bombardieren. Bildnachweis: ESA/ATG medialab

Die Vorstellung, in einer Blase zu leben, ist normalerweise mit negativen Konnotationen verbunden, aber alles Leben auf der Erde hängt von der sicheren Blase ab, die von unserem Magnetfeld erzeugt wird. Zu verstehen, wie das Feld erzeugt wird, wie es uns schützt und wie es manchmal geladenen Teilchen des Sonnenwinds Platz macht, ist nicht nur eine Frage von wissenschaftlichem Interesse, sondern auch eine Frage der Sicherheit. Mit Informationen aus den Cluster- und Swarm-Missionen der ESA sowie Messungen vom Boden aus konnten Wissenschaftler erstmals bestätigen, dass seltsam benannte stoßartige Massenströme in direktem Zusammenhang mit abrupten Änderungen des Magnetfelds in der Nähe der Erdoberfläche stehen Schäden an Rohrleitungen und Stromleitungen.

Bursty Bulk Flows im Zusammenhang mit Magnetfeldstörungen in der Nähe der Erde

Burstige Massenströme im Zusammenhang mit Magnetfeldstörungen in der Nähe der Erde. Bildnachweis: ESA

Die Magnetosphäre ist eine tropfenförmige Region im Weltraum, die auf der Tagseite etwa 65.000 km von der Erde entfernt beginnt und sich auf der Nachtseite über 6.000.000 km erstreckt. Es entsteht durch Wechselwirkungen zwischen dem Erdmagnetfeld und dem von der Sonne kommenden Überschallwind.

Diese Wechselwirkungen sind extrem dynamisch und umfassen komplizierte Magnetfeldkonfigurationen und elektrische Stromsysteme. Bestimmte Sonnenbedingungen, bekannt als Weltraumwetter, können die Magnetosphäre verwüsten, indem sie hochenergetische Teilchen und Ströme durch das System treiben und manchmal weltraumgestützte Hardware, bodengestützte Kommunikationsnetze und Energiesysteme stören.

Cluster-Mission

Die Cluster-Mission umfasst vier Satelliten, die in einer tetraedrischen Formation fliegen und die bisher detailliertesten Daten zu kleinräumigen Veränderungen im erdnahen Raum und zur Wechselwirkung zwischen den geladenen Teilchen des Sonnenwinds und der Magnetosphäre der Erde sammeln. Bildnachweis: ESA

Auf einer elliptischen Umlaufbahn um die Erde, bis zu 100.000 km entfernt, enthüllt die einzigartige Cluster-Mission der ESA mit vier Raumfahrzeugen seit dem Jahr 2000 die Geheimnisse unserer magnetischen Umgebung der Heliophysik – die Wissenschaft, die die Beziehung zwischen der Sonne und den Körpern im Sonnensystem untersucht, in diesem Fall der Erde.

Das 2013 gestartete Trio der Swarm-Satelliten der ESA umkreist die Erde viel näher und wird hauptsächlich verwendet, um zu verstehen, wie unser Magnetfeld erzeugt wird, indem genau die magnetischen Signale gemessen werden, die aus dem Erdkern, dem Erdmantel, der Kruste und den Ozeanen sowie aus der Ionosphäre und Magnetosphäre. Swarm führt aber auch zu neuen Erkenntnissen über das Wetter im Weltraum.

Die Komplementarität dieser beiden Missionen, die Teil des Heliophysics Observatory der ESA sind, bietet Wissenschaftlern die einzigartige Gelegenheit, tief in die Magnetosphäre der Erde einzudringen und die Risiken des Weltraumwetters besser zu verstehen.

Schwarmkonstellation

Schwarmkonstellation. Bildnachweis: ESA/ATG Medialab

In einem Papier veröffentlicht in Geophysikalische Forschungsbriefe, beschreiben Wissenschaftler, wie sie Daten von Cluster und Schwarm zusammen mit Messungen von bodengestützten Instrumenten verwendet haben, um den Zusammenhang zwischen Sonnenstürmen, explosionsartigen Massenströmen in der inneren Magnetosphäre und Störungen im bodennahen Magnetfeld zu untersuchen, die “geomagnetisch induzierte Ströme” antreiben. auf und unter der Erdoberfläche.

Die Theorie war, dass starke Veränderungen des Erdmagnetfelds, die geomagnetisch induzierte Ströme antreiben, mit Strömen verbunden sind, die entlang der Magnetfeldrichtung fließen, angetrieben von stoßartigen Massenströmen, die schnelle Ionenstöße sind, die sich typischerweise mit mehr als 150 km pro Sekunde fortbewegen. Diese feldausgerichteten Ströme verbinden die Ionosphäre und Magnetosphäre und passieren die Orte sowohl des Clusters als auch des Schwarms. Bis jetzt war diese Theorie nicht bestätigt worden.

Malcolm Dunlop vom Rutherford Appleton Laboratory in Großbritannien erklärt: „Wir haben 2015 das Beispiel eines Sonnensturms für unsere Forschung herangezogen. Daten von Cluster ermöglichten es uns, stoßartige Massenströme zu untersuchen – Partikelausbrüche im Magnetschweif – die während geomagnetisch aktiver Zeiten zu einer großräumigen Konvektion von Material in Richtung Erde beitragen und mit Merkmalen des Nordlichts, bekannt als ., in Verbindung stehen Polarlicht-Streamer. Daten von Swarm zeigten entsprechend große Störungen näher an der Erde, die mit verbindenden feldausgerichteten Strömen aus den äußeren Regionen, die die Flüsse enthalten, verbunden sind.

„Zusammen mit anderen Messungen, die von der Erdoberfläche aus durchgeführt wurden, konnten wir bestätigen, dass starke Magnetfeldstörungen in der Nähe der Erde mit der Ankunft stoßartiger Massenströme weiter draußen im Weltraum verbunden sind.“

Die Swarm-Missionsmanagerin der ESA, Anja Strømme, fügte hinzu: „Dass wir beide Missionen weit über ihre geplante Lebensdauer hinaus verlängert haben und somit beide Missionen gleichzeitig im Orbit haben, haben es uns ermöglicht, diese Ergebnisse zu realisieren.“

Auch wenn diese wissenschaftliche Entdeckung etwas akademisch erscheinen mag, hat sie doch echte Vorteile für die Gesellschaft.

Die Sonne badet unseren Planeten mit Licht und Wärme, um das Leben zu erhalten, aber sie bombardiert uns auch mit gefährlichen geladenen Teilchen im Sonnenwind. Diese geladenen Teilchen können Kommunikationsnetze und Navigationssysteme wie GPS und Satelliten beschädigen – auf die wir in unserem täglichen Leben für Dienste und Informationen angewiesen sind.

Wie in dem Papier erläutert, können diese Stürme die Erdoberfläche und den Untergrund der Erde beeinträchtigen und zu Stromausfällen führen, wie zum Beispiel dem großen Stromausfall, den Quebec in Kanada 1989 erlitt.

Weltraumwettereffekte

Das Weltraumwetter bezieht sich auf die Umweltbedingungen im Weltraum, die durch die Sonnenaktivität beeinflusst werden. Bildnachweis: ESA/Wissenschaftsbüro

Angesichts einer schnell wachsenden Infrastruktur sowohl am Boden als auch im Weltraum, die das moderne Leben unterstützt, besteht ein zunehmender Bedarf, das Wetter im Weltraum zu verstehen und zu überwachen, um geeignete Eindämmungsstrategien zu entwickeln.

Alexi Glover vom Weltraumwetterbüro der ESA sagte: „Diese neuen Ergebnisse helfen, unser Verständnis von Prozessen innerhalb der Magnetosphäre zu erweitern, die zu potenziell gefährlichen Weltraumwetterbedingungen führen können. Das Verständnis dieser Phänomene und ihrer potenziellen Auswirkungen ist unerlässlich, um zuverlässige Dienste für Endbenutzer zu entwickeln, die eine potenziell sensible Infrastruktur betreiben.“

Referenz: „Intensiv“ dB/dt Variations Driven by Near-Earth Bursty Bulk Flows (BBFs): A Case Study“ von Dong Wei, Malcolm W. Dunlop, Junying Yang, Xiangcheng Dong, Yiqun Yu, Tieyan Wang, 20. Januar 2021, Geophysikalische Forschungsbriefe.
DOI: 10.1029/2020GL091781


Source: SciTechDaily by scitechdaily.com.

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