MÜNCHEN (IT BOLTWISE) – Die Sonne, unser nächster Stern, ist nicht nur eine Quelle von Licht und Wärme, sondern auch von gewaltigen Plasmaausbrüchen, die als koronale Massenauswürfe (CMEs) bekannt sind. Diese Ereignisse können, wenn sie aufeinanderprallen, massive geomagnetische Stürme auf der Erde auslösen, die sowohl faszinierende Polarlichter als auch potenziell störende Auswirkungen auf unsere technologische Infrastruktur haben.
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Die Sonne stößt periodisch riesige Plasmawolken aus, die ein intensives Magnetfeld enthalten. Diese Ereignisse, bekannt als koronale Massenauswürfe (CMEs), können bei Kollisionen untereinander mächtige geomagnetische Stürme erzeugen. Diese Stürme sind nicht nur für die atemberaubenden Polarlichter verantwortlich, die am Himmel zu sehen sind, sondern können auch Satelliten und GPS-Systeme auf der Erde stören.
Am 10. Mai 2024 erlebten Menschen auf der Nordhalbkugel die Auswirkungen solcher solaren Aktivitäten auf das Weltraumwetter der Erde. Zwei kollidierende CMEs lösten den größten geomagnetischen Sturm seit zwei Jahrzehnten aus, der sich in leuchtend bunten Polarlichtern am Himmel manifestierte.
Als Solarphysiker arbeite ich mit meinen Kollegen daran, kollidierende CMEs zu verfolgen und besser zu verstehen, um die Vorhersagen des Weltraumwetters zu verbessern. In der modernen Ära, in der technologische Systeme zunehmend anfällig für Störungen durch Weltraumwetter sind, ist das Verständnis der Interaktionen zwischen CMEs wichtiger denn je.
CMEs sind lang und verdreht – ähnlich wie Seile – und ihre Häufigkeit variiert mit einem 11-jährigen Zyklus. Während des solaren Minimums beobachten Forscher etwa einen CME pro Woche, aber in der Nähe des solaren Maximums können es im Durchschnitt zwei bis drei pro Tag sein.
Wenn zwei oder mehr CMEs interagieren, erzeugen sie massive Wolken geladener Teilchen und Magnetfelder, die sich während der Kollision komprimieren, verschmelzen oder wieder verbinden können. Diese Interaktionen können die Auswirkungen der CMEs auf das Magnetfeld der Erde verstärken und manchmal geomagnetische Stürme erzeugen.
In unserer Studie, die im Mai 2024 veröffentlicht wurde, fanden wir heraus, dass CMEs, die miteinander interagieren oder kollidieren, viel wahrscheinlicher einen geomagnetischen Sturm verursachen – doppelt so wahrscheinlich wie ein einzelner CME. Die Mischung aus starken Magnetfeldern und hohem Druck in diesen CME-Kollisionen ist wahrscheinlich der Grund, warum sie Stürme erzeugen.
Während der solaren Maxima, wenn es mehr als 10 CMEs pro Tag geben kann, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass CMEs miteinander interagieren. Aber Forscher sind sich nicht sicher, ob sie in diesen Perioden eher einen geomagnetischen Sturm erzeugen.
Wissenschaftler können interagierende CMEs beobachten, während sie sich durch den Weltraum bewegen, und sie dabei beobachten, wie sie zu geomagnetischen Stürmen beitragen, indem sie Beobachtungen von weltraum- und bodengestützten Observatorien nutzen.
In dieser Studie betrachteten wir drei CMEs, die miteinander interagierten, während sie den Weltraum durchquerten, mithilfe des weltraumgestützten Observatoriums STEREO. Wir validierten diese Beobachtungen mit dreidimensionalen Simulationen.
Die von uns untersuchten CME-Interaktionen erzeugten ein komplexes Magnetfeld und eine komprimierte Plasmascheide, die eine Schicht geladener Teilchen darstellt, die, sobald sie die obere Atmosphäre der Erde aus dem Weltraum erreicht, mit ihrem Magnetfeld interagiert.
Als diese komplexe Struktur auf die Magnetosphäre der Erde traf, komprimierte sie die Magnetosphäre und löste einen intensiven geomagnetischen Sturm aus.
Dieser gleiche Prozess erzeugte den geomagnetischen Sturm vom Mai 2024. Zwischen dem 8. und 9. Mai brachen mehrere erdgerichtete CMEs von der Sonne aus. Als diese CMEs verschmolzen, bildeten sie eine massive, kombinierte Struktur, die am späten 10. Mai 2024 die Erde erreichte. Diese Struktur löste den außergewöhnlichen geomagnetischen Sturm aus, den viele Menschen beobachteten. Selbst in Teilen des südlichen US-amerikanischen Festlandes konnten die Menschen die Nordlichter am Himmel sehen.
Mit mehr Technologie und höheren Einsätzen haben Wissenschaftler ein umfangreiches Netzwerk von weltraum- und bodengestützten Observatorien, wie die Parker Solar Probe, Solar Orbiter, das Solar Dynamics Observatory und andere, zur Verfügung, um die Heliosphäre – die Region um die Sonne – aus verschiedenen Blickwinkeln zu überwachen.
Diese Ressourcen, gepaart mit fortschrittlichen Modellierungsmöglichkeiten, bieten rechtzeitige und effektive Möglichkeiten, zu untersuchen, wie CMEs geomagnetische Stürme verursachen. Die Sonne wird in den Jahren 2024 und 2025 ihr solares Maximum erreichen. Daher ist es mit komplexeren CMEs, die in den nächsten Jahren von der Sonne kommen, und einer zunehmenden Abhängigkeit von weltraumgestützter Infrastruktur für Kommunikation, Navigation und wissenschaftliche Erkundung wichtiger denn je, diese Ereignisse zu überwachen.
Die Integration der Beobachtungsdaten von weltraumgestützten Missionen wie Wind und ACE und Daten von bodengestützten Einrichtungen wie dem e-Callisto-Netzwerk und Radioobservatorien mit modernsten Simulationswerkzeugen ermöglicht es Forschern, die Daten in Echtzeit zu analysieren. Auf diese Weise können sie schnell Vorhersagen darüber treffen, was die CMEs tun.
Diese Fortschritte sind wichtig, um die Infrastruktur sicher zu halten und sich auf das nächste solare Maximum vorzubereiten. Die Bewältigung dieser Herausforderungen heute gewährleistet die Widerstandsfähigkeit gegen zukünftiges Weltraumwetter.
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