Wie das Magnetfeld der Erde die größte Show der Welt schafft

In der Nacht des 10. September 1580 erlebte ein italienischer Arzt, der am Hof ​​des ungarischen Fürsten von Siebenbürgen arbeitete, eine Lichtshow am Himmel, die er später in einem Buch mit dem Titel „De coeli ardore“, lateinisch für „himmlisches Feuer“ beschreiben sollte.“

Dieser Arzt war Marcello Squarcialupi, und seine Beobachtungen von der Dämmerung bis zum Morgengrauen gelten als der weltweit erste schriftliche wissenschaftliche Bericht über die Aurora Borealis, ein Phänomen, das besser als das Nordlicht bekannt ist.

Der Bericht ist sowohl einzigartig als auch historisch bedeutsam, da er darauf besteht, dass die Lichter ein natürlich auftretendes Phänomen wie jedes andere in der Atmosphäre waren und kein Produkt göttlicher Wunder oder Dämonen oder Zauberei, wie sie zu dieser Zeit oft interpretiert wurden.Es ist auch bezaubernd in seiner Schönheit :

„In der ersten Stunde nach Sonnenuntergang, am schönen Himmel im Norden, während der Neumond für tiefe Dunkelheit sorgte, erschien ein schwaches, weißliches Licht. … Das Licht wurde so stark, dass Gegenstände Schatten warfen. … Flammen erschienenan verschiedenen Stellen, weit entfernt vom hellen Feld. ... Farben, die aus dem hellen Feld strahlten, ähnelten Sonnenstrahlen, die durch Öffnungen in einer Wolkendecke strahlten. ... kurz vor Mitternacht wurden diese schönen lila Flecken so groß, dass sieSieht aus, als wäre der Himmel von sprudelndem Blut gefärbt.

Die pyramidenförmigen roten Strahlen, gelbe und violette Farben brachen wiederholt aus und bebten wie Flammen. ... Schließlich erschien im Norden ein intensiver Bogen, purpurrot, sah aus wie ein Berg am Himmel, unten breit, spitzoben."

Mehr als 400 Jahre später verstehen wir jetzt die Mechanismen hinter den Polarlichtern, die, wenn sie in der südlichen Hemisphäre vorkommen, als Aurora australis bezeichnet werden. Wir werden „Auroren“ verwenden, um die Dinge einfach zu halten – obwohl wir eintauchen werdeneinige interessante Unterschiede zwischen den beiden später.

Wie Polarlichter entstehen

Es war der norwegische Wissenschaftler Kristian Birkeland 1867-1917, der als erster vermutete, dass die Polarlichter etwas mit der elektromagnetischen Aktivität der Sonne zu tun haben. Während seine Theorien zu seinen Lebzeiten stark umstritten waren, hat er sich seitdem als richtig erwiesen. Die Polarlichter' Ursprünge liegen in der Vermischung geladener Teilchen der Sonne und der Erdatmosphäre.

Die Sonne emittiert mehr als nur das Licht, das wir sehen können, sie emittiert auch den Sonnenwind, einen Strom geladener Teilchen – hauptsächlich Protonen und Elektronen – der sich in langen Bögen von Milliarden Kilometern auf den Rest des Sonnensystems ausbreitet.Dieser Wind trägt einen Teil des Magnetfelds der Sonne mit sich und erzeugt eine Art Weltraumwetter, das die Atmosphäre eines Planeten drastisch beeinflussen kann.

Der äußere Rand der Sonne, die Korona, ist eine besonders dynamische Region, die maßgeblich für dieses "Wetter" verantwortlich ist. Ihre turbulenten Plasmapools und riesigen magnetischen Schleifen tragen dieses geladene Teilchenplasma, das so erhitzt ist, dass es nicht mehr sein kannenthalten von der Schwerkraft der Sonne, in das Sonnensystem.

Obwohl der Name kurios und sogar poetisch klingen mag, schießt der Sonnenwind mit Geschwindigkeiten von mehr als 500 Meilen pro Sekunde 800 km/s und Temperaturen von etwa 1.000.000 Grad Fahrenheit 800.000 Grad Celsius von der Sonne nach außen.

Lustige Tatsache: Es ist dieser Wind, der für die ikonische Strömung der Kometenschweife verantwortlich ist, da die Hitze der Sonne die gefrorenen Gase, aus denen der Komet besteht, verdampft und Staub und andere Partikel abströmen lässt, was zu zweien führtSchweif: ein Plasma- und ein Staubschweif Der Plasma- oder Gasschweif besteht aus geladenen Teilchen, die von im Sonnenwind eingebetteten Magnetfeldern mitgerissen werden, während tder Staubschweif wird von in eine gebogene Form geschobenStrahlungsdruck.

Ein paar Tage nachdem der Sonnenwind die Sonnenoberfläche verlassen hat, erreicht diese Eruption geladener Teilchen die Erde. Wenn das intensiv klingt, liegt es daran, dass es — wäre da nicht Magnetosphäre unseres Planeten, der Sonnenwind würde die atmosphärischen Schichten der Erde abstreifen, die uns vor der ultravioletten Strahlung der Sonne schützen.

Wissenschaftler glauben, dass die atmosphärischen Schichten des Planeten abgetragen wurden, weil der Mars vor etwa 4 Milliarden Jahren seine eigene Magnetosphäre verlor, was zu dem felsigen, unfruchtbaren führteLandschaft, die wir heute sehen.

Die Magnetosphäre der Erde stammt aus ihrem Kern, der aus zwei Teilen besteht. Der feste, innere Kern besteht hauptsächlich aus Eisen und Nickel. Dieser ist von einem geschmolzenen, äußeren Kern umgeben, der ebenfalls aus Nickel und Eisen besteht. Dieser äußere Kern aus heißemMetall befindet sich in einem wirbelnden Konvektionszustand, der durch radioaktives Erhitzen entsteht. Dies schafft ein System, das man sich wie den Bau eines elektrischen Generators durch die Natur vorstellen kann. Die Abkühlung und Kristallisation von Eisen im Kern trägt dazu bei, unglaublich starke elektrische Ströme zu erzeugen, die aMagnetfeld, das weit über die Erdatmosphäre hinaus in den Weltraum reicht. Wenn sich der Sonnenwind unserem Planeten nähert, wird das meiste davon von der Magnetosphäre unseres Planeten abgelenkt und umgeleitet.

Diese magnetische Abschirmung ist jedoch nicht undurchlässig, und ein kleiner Teil des Sonnenwinds schafft es häufig, bis zur Erde durchzudringen. Dies geschieht, indem er eine Fahrt auf dem Magnetfeld anhängt und ihm auf und ab zu jedem derDie magnetischen Pole der Erde, die ungefähr mit einer Differenz von etwa 1.300 km den geographischen Polen entsprechen.

Der Bereich um die Pole, den diese geladenen Teilchen Ionen erreichen, wird Ionosphäre genannt, die die Grenze zwischen dem Vakuum des Weltraums und der unteren Atmosphäre bildet.

Wenn die Ionosphäre die Energie des einfallenden Sonnenwinds absorbiert, interagieren die Teilchen der Sonne mit Sauerstoff und Stickstoff in der Ionosphäre. Dies verursacht wirklich das Licht der Polarlichter. Die Gase in der Erdatmosphäre werden durch die Ionen der Sonne mit Energie versorgt,aber nur für einen kurzen Zeitraum, wobei die gespeicherte Energie dieser Ionen in fantastischen Lichtblitzen abgegeben wird – Polarlichter.

Nur wenn Milliarden dieser Kollisionen stattfinden, sehen wir die himmelweiten Lichtshows, für die Polarlichter bekannt sind. Verschiedene Gase geben unterschiedlich gefärbte Polarlichter ab. Sauerstoff erzeugt die ikonischen grünlich-gelben und roten Farbtöne der Polarlichter, während Stickstoffstrahlt ein rotes oder blaues Licht aus, das oft in Violetttönen erscheinen kann – genau wie die Polarlichter, die Squarcialupi in dieser Septembernacht 1580 sah.

Wo und wann Polarlichter zu sehen sind

Da Polarlichter aus der Vermischung geladener Sonnenteilchen und der Magnetosphäre der Erde resultieren, die sie zu den Polen treibt, sind sie am besten in den hohen Breiten beider Hemisphären zu sehen. Kanada, Island, Norwegen und Finnland sind großartige Orteum die Aurora Borealis zu sehen, während Teile Australiens, Neuseelands und des Kontinents Antarktis einige der einzigen Orte sind, an denen das Südlicht, die Aurora australis, zu sehen ist.

Das Gebiet, in dem Polarlichter normalerweise vorkommen, wird Polarlichtring genannt, und obwohl die Wahrscheinlichkeit, sie zu sehen, steigt, je näher Sie diesen Ringen kommen, gibt es Zeiten, in denen sich die Polarlichter weiter nach Süden erstrecken und die Polarlichter australis .weiter nördlich als sonst.

Obwohl Aurora borealis und Aurora australis von demselben, symmetrisch ausgerichteten Magnetfeld stammen, kann sich dieses Feld je nach Stärke, Intensität und Winkel des sich nähernden Sonnenwinds verbiegen und verschieben.

In einer 2018 veröffentlichten Studie im Journal of Geophysical Research: Space Physics, Forscher schlagen vor, dass, wenn der Sonnenwindstört die Magnetosphäre der Erde genau im richtigen Winkel biegt und verdreht sich unser Magnetfeld in einem Maße, das die Polarlichter an verschiedene Orte auf der Nord- und Südhalbkugel schiebt. Diese Asymmetrie ist nur von kurzer Dauer, da sich das Magnetfeld der Erde vom Sonnenwind löst, umSymmetrie wiedererlangen.

Das Magnetfeld der Sonne ist nicht immer gleich aktiv. Unser Stern durchläuft regelmäßig einen sogenannten Sonnenzyklus, einen 11-jährigen Prozess, bei dem sich sein Magnetfeld tatsächlich umdreht, wobei sich die Polaritäten in beiden Hemisphären ins Gegenteil umkehren. Der Anfangeines Sonnenzyklus ist durch eine geringe Anzahl von Sonnenflecken gekennzeichnet, und an diesem Punkt ist die Sonne am wenigsten aktiv, was bedeutet, dass hier auf der Erde eine geringere Wahrscheinlichkeit für starke Polarlichter auftritt.

Unser aktueller Zyklus, Sonnenzyklus 25 Zyklen wurden seit 1755 verfolgt, als umfangreiche Aufzeichnungen der Sonnenfleckenaktivität begannen, begann im Jahr 2020. Wissenschaftler der National Oceanic and Atmospheric Administration sagen voraus, dass die Sonnenzyklus wird im Juli 2025 seinen Höhepunkt erreichen, was bedeutet, dass während dieser Zeit eher Polarlichter auftreten.

Intensive Sonnenstürme, die die Menge der von der Sonne ausgehenden geladenen Teilchen erheblich erhöhen, können sogar zu führen.Auroren reichen bis nach Süden wie die Tropen, wie sie es beim berüchtigten Carrington-Ereignis von 1859 taten. Dieses Ereignis war das Ergebnis eines geomagnetischen Sturms, der seinen Ursprung in mindestens einem koronalen Massenauswurf hatte und zu einer weit verbreiteten Unterbrechung der Stromversorgung auf der ganzen Welt führte.

Wie Sonneneruptionen, koronale Massenauswürfe und geomagnetische Stürme die Erde beeinflussen

Geomagnetische Stürme sind erhebliche Störungen in der Magnetosphäre der Erde. Sie resultieren aus Ereignissen wie Sonneneruptionen oder ihren intensiveren Verwandten, koronalen Massenauswürfen.

Wenn sein Plasma fließt und sich aufwirbelt, kann sich das Magnetfeld der Sonne in sich selbst "verheddern". Um in einen "entspannteren" Zustand zurückzukehren, richten sich diese verdrehten und verknoteten magnetischen Bereiche, die als Flussseile bekannt sind, neu aus und brechen riesig abEnergie- und Plasmamengen, die ins Sonnensystem rasen.

Sonneneruptionen und CMEs ähneln sich darin, dass sie oft gleichzeitig auftreten und dazu führen, dass riesige Mengen von Partikeln durch den Weltraum geschleudert werden, aber hier enden ihre Ähnlichkeiten.

Sonneneruptionen sind intensive Freisetzungen hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Die großen Mengen an freigesetzter Energie können hochenergetische Teilchen beschleunigen, die sich auf die Ionosphäre der Erde auswirken können. GPS- und Funksignale wandern durch die Ionosphäre, also jede Änderungaufgrund seiner Zusammensetzung können diese Signale beeinflussen, und Sonneneruptionen können sogar zu kompletten Ausfällen in Navigations- und Kommunikationssystemen führen.olare Flares treffen auf die Erde ein, wenn sie auf der dem Planeten zugewandten Seite der Sonne auftreten.

CMEs hingegen sind substanzieller. Sie ähneln eher einer riesigen Welle oder Wolke aus magnetisiertem Sonnenplasma, die mit über einer Million Meilen pro Stunde abgeschossen wurde.Diese Wolken können in jede Richtung ausbrechen und sich dann in diese Richtung fortsetzen. CMEs treffen jedoch nur auf die Erde, wenn die Wolke in unsere Richtung gerichtet ist.

Aufgrund ihrer Intensität können CMEs das Erdmagnetfeld verzerren und es so in Schwingung versetzen, dass in den Versorgungsnetzen auf der Erde elektrische Ströme entstehen. Wenn diese Netze nicht richtig auf ein solches Ereignis vorbereitet sind, können die Ströme das Netz überlastenbis zum Scheitern.

Aus diesem Grund verfügt die NASA über eine Flotte von Heliophysik-Observatorien im Weltraum. Wenn es so aussieht, als wäre ein CME auf dem Weg zur Erde, werden Fluggesellschaften, Energieunternehmen und andere relevante Parteien benachrichtigt, damit sie die notwendige Infrastruktur schützen können.

Ende Oktober gab die NOAA eine Warnung für eine potenzieller geomagnetischer Sturm resultierend aus einem X1 Sonneneruption von denen angenommen wird, dass sie von einem koronalen Massenauswurf begleitet wurden, der am 28. Oktober stattfand. Die G3-Klasse geomagnetischer SturmDas Ergebnis scheint sich nicht auf die Technologie vor Ort ausgewirkt zu haben. Während die Analyse noch andauert, führte die Kombination von Flare und CME zu einigen spektakulären Polarlichtern aus Finnland, Russland und Island.

Wissenschaftler lernen immer noch viel über die elektromagnetische Beziehung zwischen Erde und Sonne, und wir werden wahrscheinlich in den kommenden Jahrzehnten einige faszinierende Dinge über diese Wechselwirkung entdecken. Es ist wirklich inspirierend, darüber nachzudenken, wie weit wir im Verständnis gekommen sindsie, seit Squarcialupi seinen Bericht im 16. Jahrhundert schrieb.

Aus unserer historischen Perspektive können wir sehen, dass die Physik hinter den Polarlichtern zusammen mit dem Engagement derer, die sich bemühen, herauszufinden, wie diese Systeme funktionieren, so überzeugend sind wie die ätherische Schönheit, für die die Lichter selbst bekannt sind. Squarcialupiwar nicht der erste, der die Polarlichter bestaunte, aber seine Worte und seine Botschaft bleiben eine großartige Erinnerung daran, dass das Material und das Transzendente so oft miteinander verbunden sind. Es ist etwas, das wir alle gut im Hinterkopf behalten sollten.