Neueren Forschungen zufolge wirken sich schädliche elektrische Ströme im Weltraum nicht nur auf die Pole, sondern auch auf die Äquatorregion der Erde aus.
Wenn die Sonne aufgeht, ist das Weltraumwetter auf dem Weg zur Erde. Bildnachweis: NASA / SDO
Von Brett Carter Boston College und Alexa Halford, Dartmouth College
Das Erdmagnetfeld - bekannt als "Magnetosphäre" - schützt unsere Atmosphäre vor dem "Sonnenwind". Das ist der konstante Strom geladener Teilchen, die von der Sonne nach außen strömen. Wenn die Magnetosphäre die Erde vor diesen Sonnenpartikeln abschirmt, werden sie in Richtung der polaren Regionen unserer Atmosphäre geleitet.
Wenn die Partikel in die ionosphärische Schicht der Atmosphäre einfallen, wird Licht abgegeben, und in der Nähe des Nord- und des Südpols entstehen wunderschöne mehrfarbige Polarlichter. Dies sind beeindruckende visuelle Darstellungen der komplexen Wechselwirkungen in der erdnahen Weltraumumgebung, die wir gemeinsam als "Weltraumwetter" bezeichnen.
Aurora über Norwegen, visuelles Raumwetter. Bildnachweis: Alexa Halford
Das gleiche Weltraumwetter, das diese schönen Displays erzeugt, kann für eine Vielzahl von Technologien Chaos anrichten. Wir wissen schon seit einiger Zeit, dass das Weltraumwetter in Regionen mit hohen Breiten in der Nähe der Pole Stromnetzausfälle verursachen kann, die manchmal schwere Schäden verursachen. Das bekannteste Beispiel war der Stromausfall im März 1989 im Nordosten der USA und bis nach Quebec, Kanada, bei dem Millionen Menschen 12 Stunden lang ohne Strom waren.
Äquatorregionen haben wir uns jedoch nicht als Hauptziele angesehen. Unsere neue Studie zeigt, dass Gebiete in Äquatornähe immer noch schlechtes Weltraumwetter haben - und dies wirkt sich störend auf die Stromnetzinfrastruktur aus.
Sich ändernde Magnetfelder erzeugen elektrische Ströme
Hoch über dem Boden in der oberen Atmosphäre schwanken die elektrischen Ströme, die durch Wechselwirkungen in der Magnetosphäre und der Ionosphäre verursacht werden. Diese atmosphärischen Ströme verursachen starke Änderungen der Stärke des lokalen Magnetfelds am Boden. Wir können das Magnetfeld nicht selbst fühlen, aber Forscher messen und verfolgen es an verschiedenen Punkten auf der Erdoberfläche.
Dr. Endawoke Yizengaw neben einer Magnetometer-Installation, die Änderungen im Magnetfeld an diesem Punkt in Phuket, Thailand, aufzeichnet. Fotokredit: Endawoke Yizengaw
Das ist alles schön und gut. Das Problem tritt auf, wenn diese atmosphärischen Ströme schnelle Änderungen im Magnetfeld verursachen. Wenn sich das Magnetfeld abrupt ändert, kann es elektrische Ströme in Leitern an der Erdoberfläche erzeugen - zum Beispiel in langen Rohren oder Drähten wie Öl- und Gasleitungen oder Stromübertragungsleitungen. Dieser Vorgang der Stromerzeugung wird als magnetische Induktion bezeichnet.
Diese elektrischen Ströme werden nicht so kreativ als geomagnetisch induzierte Ströme oder kurz GICs bezeichnet. Die Regionen mit hohen Breitengraden sind aufgrund der starken elektrischen Ströme, die durch die Auroren fließen, aufgrund der Art und Weise, wie der Sonnenwind abgelenkt wird, wenn er auf die Magnetosphäre der Erde trifft, am anfälligsten für GICs. Der gesamte Planet kann jedoch in unterschiedlichem Maße betroffen sein.
Wenn sie auftreten, erzeugen GICs durch magnetische Induktion zusätzlichen Strom in der Stromnetzinfrastruktur. Stromnetze verbrauchen bei Großveranstaltungen möglicherweise mehr Strom, als sie verarbeiten können. Diese induzierten Ströme haben zahlreiche Geräteausfälle verursacht, die zu Stromausfällen für große Bevölkerungsgruppen geführt haben.
Ärger auch am Äquator, nicht nur an den Polen
Dieselben geomagnetisch induzierten Ströme, die in den Regionen mit hohem Breitengrad auftreten, können auch um den Äquator unseres Planeten auftreten. Dort werden sie nicht durch das Polarlicht-Stromsystem verursacht, das wir in der Nähe der Pole finden, sondern durch ein schwächeres Gegenstück mit niedriger Breite, das als äquatorialer Elektrojet bezeichnet wird. Wie beim hochbreiten ionosphärischen Stromsystem kann der elektrische Strom des äquatorialen Elektrojets am Boden mithilfe von Magnetfeldbeobachtungen erfasst werden.
Kürzlich berichteten Forscher, dass die GIC-Aktivität am Äquator bei schweren geomagnetischen Stürmen zunimmt - das heißt, bei Sonneneruptionen, die als „koronale Massenauswürfe“ bezeichnet werden, werden Stoßwellen ausgelöst, die die Erde treffen. Sie zeigten mit dem Finger auf den äquatorialen Elektrojet als vermutete Ursache.
In unserem neuen Forschungsartikel in Geophysical Research Letters zeigen wir, dass Länder in der Nähe des magnetischen Äquators anfälliger für Weltraumwetter sind als bisher angenommen.
Anstatt uns auf schwere geomagnetische Stürme wie das Halloween-Ereignis von 2003 zu konzentrieren, das (unter anderem) Probleme mit dem Stromnetz in Schweden verursachte, gingen wir einen anderen Weg. Unsere Analyse konzentrierte sich auf die Ankunft interplanetarer Schocks. Dies sind plötzliche Druckanstiege im Sonnenwind - dem Plasmastrom, der ständig aus der Sonne fließt. Wenn diese Stöße die Erdmagnetosphäre treffen, verursacht der Aufprall eine plötzliche Magnetfeldänderung, die weltweit gemessen werden kann.
Interplanetare Schocks kündigen regelmäßig den Beginn eines geomagnetischen Sturms an. Aber viele ziehen relativ gütig vorbei, ohne sich zu einem ausgewachsenen geomagnetischen Sturm zu entwickeln. Wir haben festgestellt, dass die magnetische Reaktion auf diese Schockankünfte am magnetischen Äquator im Vergleich zu Orten, die nur wenige Grad entfernt sind, manchmal erheblich stärker war. Warum?
Eine Analyse der Unterschiede zwischen diesen äquatorialen Reaktionen während des Tages ergab, dass sie gegen Mittag am stärksten und nachts am schwächsten waren. Dieser tägliche Kontrast entspricht den bekannten Variationen im äquatorialen Elektrojet. Es ist ein starker Beweis dafür, dass der äquatoriale Elektrojet die geomagnetisch induzierte Stromaktivität während der interplanetaren Schockankünfte auf eine Weise verstärkt, die bis jetzt nicht wirklich erkannt wurde.
Unpolare Stromnetze können auch vom Weltraumwetter getroffen werden. Bildnachweis: Ken Doerr
Auswirkungen auf äquatoriale Stromnetze
Dieses Ergebnis hat erhebliche Auswirkungen auf die vielen Länder, die sich unter dem äquatorialen Elektrojet befinden und möglicherweise eine Energieinfrastruktur betreiben, die ursprünglich nicht für die Bewältigung des Weltraumwetters ausgelegt war. Diese Länder müssen nach Möglichkeiten suchen, um ihre Infrastruktur während geomagnetisch ruhiger Perioden sowie während schwerer geomagnetischer Stürme zu schützen.
Einer unserer Mitautoren, Dr. Endawoke Yizengaw vom Boston College, ist in Äthiopien im Einflussbereich des äquatorialen Elektrojets aufgewachsen. Er erinnert sich an unerklärliche Stromausfälle in seiner Kindheit und fragt sich, ob interplanetarische Schocks eine Rolle gespielt haben könnten. Wir hoffen, diese Frage in naher Zukunft beantworten zu können.
Wissenschaftler auf der ganzen Welt führen derzeit Forschungen durch, um die Auswirkungen dieser geomagnetisch induzierten Ströme auf Stromnetze besser zu verstehen. Es wird zunehmend klarer, dass wir die Auswirkungen von Ruhephasen untersuchen müssen, nicht nur von Großereignissen. Was in diesen ruhigen Zeiten und in oft übersehenen Regionen passiert, kann erhebliche Auswirkungen auf unsere zunehmend technologieabhängige Gesellschaft haben.
Brett Carter ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Weltraumwetter und Ionosphärenphysik am Boston College und Alexa Halford ist Postdoktorandin in Physik und Astronomie am Dartmouth College
Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.