Rekonnexion lässt Polarlichter strahlen

  • 27. September 2013

Energie des Sonnenwindes verwandelt sich im Magnetschweif der Erde in kinetische Energie von Elektronen.

Wer einmal das Glück hatte, Polarlichter mit bloßem Auge zu sehen, wird diese nicht so schnell wieder vergessen. Der genaue Mechanismus, wie der Plasmastrom des Sonnenwindes seine Energie in die wissenschaftlich auch Aurora Borealis genannten Fluoreszenzerscheinungen umwandelt, ist bislang aber noch schlecht verstanden. Ein internationales Team von Geophysikern hat nun dank einer seltenen Konstellation neues Licht auf die Umorientierungsprozesse im Erdmagnetfeld werfen können, die den Polarlichtern vorausgehen.

Abb.: Die THEMIS-Raumsonden umkreisen die Erde auf unterschiedlichen Orbits und vermessen das Erdmagnetfeld. (Bild: NASA)

Abb.: Die THEMIS-Raumsonden umkreisen die Erde auf unterschiedlichen Orbits und vermessen das Erdmagnetfeld. (Bild: NASA)

Am 3. Juli 2012 trat im Magnetschweif der Erde ein geomagnetischer Teilsturm auf. Glücklicherweise befanden sich zu diesem Zeitpunkt gleich acht Satelliten in deren Windschatten, so dass die Forscher sehr großräumige Daten über das Verhalten des Magnetschweifs sammeln konnten. Zwei dieser Raumsonden sind die erst vor kurzer Zeit in Dienst gegangenen ARTEMIS-Orbiter (Acceleration Reconnection Turbulence & Electrodynamics of Moon’s Interaction with the Sun), die den Mond umkreisen. Hinzu kamen drei der fünf THEMIS-Raumsonden (Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms), die auf unterschiedlichen Bahnen die Erde umlaufen und ihr Magnetfeld untersuchen. Außerdem konnten die Forscher mit Geotail und den beiden GOES-Satelliten (Geostationary Operational Environmental Satellites) noch auf drei ältere Satelliten zurückgreifen, die bereits seit Jahrzehnten im Einsatz sind.

Abb.: Der von links eintreffende Sonnenwind zieht eine lange Plasma-Wirbelschleppe hinter der Erde. Die dort auftretenden Kurzschlüsse im Magnetfeld beschleunigen Elektronen, die schließlich zu Polarlichtern führen. (Bild: V. Angelopoulos et al., AAAS)

Abb.: Der von links eintreffende Sonnenwind zieht eine lange Plasma-Wirbelschleppe hinter der Erde. Die dort auftretenden Kurzschlüsse im Magnetfeld beschleunigen Elektronen, die schließlich zu Polarlichtern führen. (Bild: V. Angelopoulos et al., AAAS)

Die Forscher fanden bei ihrer Analyse, dass die Energie des Sonnenwindes zunächst in den Magnetschweif gelangte und dort zu ausgedehnten Umorientierungen des Magnetfeldes führte. Diese Rekonnexion genannten „Kurzschlüsse“ wirkten als lokale Plasmaheizung und setzten intensive elektrische Ströme in Gang. Während eines rund halbstündigen Teilsturms erreichten diese Ströme dabei Leistungsgipfel von einigen Dutzend Gigawatt auf einer Fläche, die dem Erdradius entspricht.

Der Raumbereich, in dem diese Energieumwandlung wirkte, zog sich dabei im Erdschatten zylinderförmig bis zu sechzig Erdradien weit. Außerhalb dieses Bereichs konnten die Forscher keine Hinweise auf Rekonnexionen finden. Die erzeugten Plasmaströmungen pumpten ihre Energie zu einem Teil in den Van-Allen-Strahlungsgürtel oder heizten das magnetosphärische Plasma weiter auf. Zum anderen Teil jedoch wanderten sie – von den gebündelten Magnetfeldlinien der Erde eingefangen – in Richtung der Polkappen, wo sie die schimmernden Polarlichter erzeugen.

Dirk Eidemüller

PH

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