Geomagnetische Stürme

Was sind Geomagnetische Stürme?

Polarlichter im Zusammenhang Geomagnetische Stürme

Geomagnetische Stürme gehören zu den spannendsten, aber auch gefährlichsten Phänomenen des sogenannten „Weltraumwetters“. Sie entstehen, wenn energiereiche Teilchenströme von der Sonne auf das Magnetfeld der Erde treffen und dort massive Störungen verursachen. Diese Stürme können nicht nur atemberaubende Polarlichter auslösen, sondern auch unsere moderne Technik beeinflussen

Inhaltsverzeichnis
Definition und Erklärung
Ablauf und Aufbau
Einfluss auf Polarlichter

Was sind Geomagnetische Stürme?

Geomagnetische Stürme gehören zu den eindrucksvollsten Erscheinungen des sogenannten Weltraumwetters. Sie entstehen, wenn die Sonne große Mengen geladener Teilchen ins All schleudert und diese mit dem Magnetfeld der Erde in Wechselwirkung treten. Dabei kommt es zu massiven Störungen in der Magnetosphäre, die sowohl faszinierende Naturphänomene wie Polarlichter auslösen als auch erhebliche Auswirkungen auf moderne Technik haben können.

Ursachen geomagnetischer Stürme
Die wichtigste Ursache für geomagnetische Stürme ist die Aktivität unserer Sonne. Dabei spielen zwei Prozesse eine entscheidende Rolle:

Sonnenwind
Der Sonnenwind besteht aus einem kontinuierlichen Strom geladener Teilchen (hauptsächlich Elektronen und Protonen), der permanent von der Sonne in den Weltraum hinausströmt. Normalerweise schützt das Magnetfeld der Erde vor den meisten dieser Teilchen.

Koronale Massenauswürfe (CME)
Bei starker Sonnenaktivität kann es zu gewaltigen Eruptionen in der Sonnenatmosphäre kommen. Dabei werden Milliarden Tonnen Plasma mit enormer Geschwindigkeit ins All geschleudert. Trifft ein solcher koronaler Massenauswurf direkt auf die Erde, kann das Magnetfeld stark gestört werden – ein geomagnetischer Sturm entsteht.

Besonders kritisch wird es, wenn das Magnetfeld des Sonnenwinds „südlich“ ausgerichtet ist und sich mit dem Erdmagnetfeld verbinden kann. Dadurch dringen deutlich mehr Teilchen in die Magnetosphäre ein und verstärken den Sturm.

Ablauf eines geomagnetischen Sturms

Wenn ein schneller Sonnenwind oder ein koronaler Massenauswurf (CME) die Erde erreicht, beginnt eine Kette komplexer Prozesse, die sich über Stunden oder sogar Tage abspielen kann. Der Ablauf eines geomagnetischen Sturms lässt sich in mehrere Phasen unterteilen:

1. Ankunft des Sonnenwinds - Kompression der Magnetosphäre
Der Sonnenwind trifft mit hoher Geschwindigkeit - oft zwischen 300 und 1000 Kilometern pro Sekunde - auf das Erdmagnetfeld. Dieses Magnetfeld wirkt wie ein Schutzschild, das die geladenen Teilchen normalerweise ablenkt. Doch bei besonders starken Sonnenwinden wird die Magnetosphäre zusammengedrückt.

- Auf der Tagseite der Erde (der Seite, die der Sonne zugewandt ist) kann sich die Magnetopause, also die Grenze der Magnetosphäre, von etwa 60.000 Kilometern auf nur 30.000 Kilometer zur Erde hin verschieben.
- Diese plötzliche Kompression löst sofort messbare Störungen in Magnetometern weltweit aus.

2. Energieübertragung durch magnetische Rekonnexion
Besonders kritisch ist die Orientierung des interplanetaren Magnetfeldes (IMF), das vom Sonnenwind mitgeführt wird.

- Wenn dieses Magnetfeld nach Süden ausgerichtet ist, kann es sich mit den nördlich ausgerichteten Feldlinien der Erde „verbinden“.
- Dieser Prozess, bekannt als magnetische Rekonnexion, ist vergleichbar mit einem Kurzschluss, bei dem große Energiemengen auf einmal freigesetzt werden.
- Die aufgenommene Energie wird in den „Magnetschweif“ auf der Nachtseite der Erde transportiert und dort gespeichert.

3. Teilchenbeschleunigung im Magnetschweif
Im Magnetschweif, einer langgestreckten Region, die sich Millionen Kilometer hinter der Erde erstreckt, kommt es zur plötzlichen Entladung der gespeicherten Energie.

- Geladene Teilchen (Elektronen und Protonen) werden beschleunigt und entlang der Magnetfeldlinien in Richtung der Pole gelenkt.
- Dabei entstehen starke elektrische Ströme, die als aurorale Substürme bezeichnet werden und das Magnetfeld der Erde zusätzlich in Bewegung versetzen.

4. Folgen in der Ionosphäre und Atmosphäre
Wenn die energiereichen Teilchen die obere Erdatmosphäre erreichen, stoßen sie in Höhen zwischen 80 und 500 Kilometern auf Sauerstoff- und Stickstoffatome.

- Sauerstoffatome in etwa 100–200 km Höhe erzeugen grünes Licht, während Sauerstoff in größeren Höhen rötlich leuchtet.
- Stickstoffmoleküle sind für violette und blaue Farbtöne verantwortlich.
- Gleichzeitig führen die Ströme in der Ionosphäre zu Störungen in der Funkübertragung, Navigation und sogar in Stromnetzen auf der Erde.

5. Erholungsphase
Nach einigen Stunden bis Tagen beruhigt sich die Magnetosphäre wieder. Die Teilchenströme nehmen ab, das Magnetfeld stabilisiert sich, und die Störungen gehen zurück. Dennoch können Nachwirkungen, wie z. B. erhöhte Strahlungswerte im erdnahen Raum, noch länger bestehen bleiben.

Wie stehen geomagnetische Stürme mit Polarlichter-Vorhersagen zusammen?

Polarlichter faszinieren seit jeher Menschen auf der ganzen Welt. Ihre Entstehung ist jedoch kein reines Naturwunder am Himmel, sondern das sichtbare Ergebnis komplexer Vorgänge im Weltraum. Eine zentrale Rolle spielen dabei geomagnetische Stürme. Sie entstehen, wenn hochenergetische Teilchen aus dem Sonnenwind oder aus koronalen Massenauswürfen auf das Erdmagnetfeld treffen und dieses massiv stören. Während ruhiger Sonnenaktivität bleiben Polarlichter meist auf hohe Breitengrade beschränkt, doch bei starken geomagnetischen Stürmen können sie weit nach Süden wandern und sogar in Mitteleuropa sichtbar werden.

Für die Vorhersage von Polarlichtern sind geomagnetische Stürme daher entscheidend. Ihre Stärke wird oft über den sogenannten Kp-Index angegeben, eine Skala von 0 bis 9. Je höher dieser Wert, desto intensiver die Störungen im Erdmagnetfeld und desto größer die Chance, Polarlichter auch außerhalb der Polarregionen zu beobachten. Bei moderaten Stürmen mit einem Kp-Wert von 4 bis 5 lassen sich Polarlichter zuverlässig in Skandinavien, Alaska oder Kanada sehen. Steigt der Wert auf 6 oder mehr, wächst die Wahrscheinlichkeit für Sichtungen in Norddeutschland oder Schottland. Extreme Stürme mit Kp 8 oder 9 können sogar dafür sorgen, dass Polarlichter in Südeuropa oder den südlichen Vereinigten Staaten auftauchen.

Um solche Ereignisse vorherzusagen, greifen Wissenschaftler auf Satellitendaten und Messungen aus dem All zurück. Missionen wie DSCOVR oder ACE überwachen kontinuierlich den Sonnenwind und messen seine Geschwindigkeit, Teilchendichte sowie die Ausrichtung des interplanetaren Magnetfeldes. Besonders wichtig ist, ob das Magnetfeld des Sonnenwinds nach Süden zeigt, da es sich dann mit den Feldlinien der Erde verbinden kann und besonders viel Energie in die Magnetosphäre übertragen wird. Mit diesen Informationen lassen sich kurzfristige Prognosen erstellen, oft wenige Stunden bis Tage im Voraus. Ergänzend berechnen Computermodelle das sogenannte Aurora-Oval, also die Zone um die Magnetpole, in der Polarlichter am wahrscheinlichsten auftreten.

Arten von geomagnetischen Stürmen: CME vs. schnelle Sonnenwindströme

Geomagnetische Stürme entstehen, wenn geladene Teilchen aus der Sonne auf das Erdmagnetfeld treffen und es stören. Allerdings unterscheiden sich diese Stürme deutlich, je nachdem, welche Art von Sonnenaktivität sie auslöst. Zwei der wichtigsten Ursachen sind koronale Massenauswürfe (CME) und schnelle Sonnenwindströme aus koronalen Löchern.

1. Koronale Massenauswürfe (CME)
Koronale Massenauswürfe sind riesige Plasmawolken, die bei starken Sonneneruptionen von der Sonnenkorona ins All geschleudert werden. Sie bestehen aus Milliarden Tonnen geladener Teilchen und tragen oft starke Magnetfelder mit sich. Trifft eine solche Wolke direkt auf die Erde, kann sie die Magnetosphäre massiv stören und einen intensiven geomagnetischen Sturm auslösen.

Merkmale von CME-bedingten Stürmen:
Sehr hohe Intensität, oft Kp-Werte von 6–9.
Plötzlicher Beginn, da die Wolke in der Regel eine Geschwindigkeit von 500–2500 km/s erreicht.
Dauer: Die Hauptphase kann mehrere Stunden bis Tage andauern, die Nachwirkungen noch länger.
Sichtbare Effekte: Besonders spektakuläre Polarlichter, oft weit außerhalb der üblichen Polarlichtzonen.
Technische Risiken: Satelliten, Stromnetze und GPS-Systeme sind stark gefährdet.

CME-Stürme sind also besonders dramatisch, aber vergleichsweise selten. Das bekannteste historische Beispiel ist das Carrington-Ereignis von 1859, das weltweit Telegraphensysteme lahmlegte.

2. Schnelle Sonnenwindströme aus koronalen Löchern
Koronale Löcher sind Bereiche auf der Sonnenoberfläche, in denen das Magnetfeld offen ist und geladene Teilchen schneller ins All strömen. Diese schnellen Sonnenwindströme erzeugen geomagnetische Stürme meist weniger intensiv als CME, können aber über längere Zeiträume wirken.

Merkmale von Stürmen durch koronale Löcher:
Intensität: Meist moderat bis stark (Kp 4–7), selten extrem.
Beginn: Allmählicher Anstieg der Aktivität, oft vorhersehbar.
Dauer: Kann mehrere Tage anhalten, da der schnelle Sonnenwind kontinuierlich auf die Erde trifft.
Sichtbare Effekte: Polarlichter, vor allem in nördlichen Breiten, oft länger sichtbar, aber weniger dramatisch als bei CME.
Technische Risiken: Meist geringfügig, eher Auswirkungen auf Satellitenbahnen und Funkkommunikation.

Diese Stürme treten häufiger auf als CME-Stürme und sind oft Teil des normalen Sonnenzyklus, besonders während der abnehmenden Phase eines 11-jährigen Sonnenzyklus.