„Elektrische Tornados“ verursachen Polarlichter

Treffen von der Sonne ausgestoßene Teilchenstürme auf die Erde, setzt das komplizierte Vorgänge in der Magnetosphäre in Gang. Wie sie zu den Lichterscheinungen der Aurora borealis und australis führen, haben Forscher mithilfe von Satelliten nun erstmals genauer untersuchen können

Substorm in der Magnetosphäre
Substorm in der Magnetosphäre

Wien (Österreich) - Am Donnerstag berichteten Geophysiker auf der Tagung der European Geosciences Union in Wien, sie hätten riesige Plasmawirbel über der Erde beobachtet und analysiert. Das Team aus Deutschland, den USA und Finnland bezeichnete die Wirbel ihrer Gestalt wegen als „elektrische Tornados“. Sie seien ein wichtiges Bindeglied zwischen Teilchenausbrüchen von der Sonne und den Polarlichtern.

Karl-Heinz Glaßmeier von der TU Braunschweig erklärte, wie sich die Plasmawirbel bilden: Zuerst stößt die Sonne eine Wolke geladener Partikel aus. Erreicht die Wolke die Erde, deformiert sie deren Magnetfeld zur Nachtseite des Planeten hin. Der magnetische Schweif dehnt sich und kollabiert dann. Anschließend orientieren sich seine Feldlinien um. Dabei induzieren sie im Plasma der Magnetosphäre einen Fluss elektrischen Stroms parallel zur Erdoberfläche. „Irgendwann kann das Plasma den Stromfluss aber nicht mehr bewältigen“, so Glaßmeier. Dann werde der Strom umgeleitet – über die Ionosphäre in Erdnähe. Die Ionosphäre könne nämlich viel besser Strom leiten. Im Zuge dieses Vorgangs, der einem Kurzschluss ähnele, entstünden in der Magnetosphäre die Plasmawirbel.

In dem internationalen Projekt „Time History of Events and Macroscale Interactions during Substorms“ (THEMIS) konnte im Februar 2008 das Werden und Vergehen der Plasmawirbel beobachtet werden. Mit den fünf THEMIS-Satelliten verfolgten die Forscher, wie sich die Wirbel entwickelten. Dazu waren Magnetometer und Instrumente zur Messung von Plasmateilchen an Bord. An Bodenstationen in Nordamerika registrierten Kameras die entstehenden Polarlichter. Demnächst wird die Auswertung der Daten im Journal of Geophysical Research erscheinen.

Die trichterförmigen Wirbel entstehen aus rotierendem Plasma, wobei die Magnetfeldlinien entsprechend gewunden sind. Die Beobachtungen zeigen nun, dass die Wirbel mehrere 1000 km im Durchmesser messen und sich 100000 km von der Erde entfernt bilden. Immer schmaler werdend erstrecken sie sich bis in die Ionosphäre des Planeten. Am unteren Ende – dort, wo die „elektrischen Tornados“ fast den Boden berühren – erzeugen sie die Polarlichter.

Den Forschern zufolge entstehen die Wirbel paarweise, wobei sich die Einzelwirbel in entgegengesetzter Richtung drehen. In dem einen fließt Strom in Richtung Erde, in dem anderen von der Erde weg. Der Stromfluss könne Werte von 100000 Ampère erreichen, sagte Andreas Keiling von der University of California in Berkeley. Mit den Wirbeln einher gehe eine Strömung geladener Plasmateilchen; vom Magnetfeld werde sie beschleunigt. Die Ionosphäre bremse den Teilchenstrom ab, und das rufe die Polarlichter hervor. „Das Phänomen ähnelt der Lichterzeugung in einem herkömmlichen Fernsehgerät“, sagte Keiling. In der Bildröhre würden die Lichterscheinungen ebenfalls durch abgebremste geladene Teilchen verursacht.