Sonnenwinde bringen mehr Energie zur Erde als gedacht

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Sonnenwinde sind ein permanenter, von der Sonne ausgehender Strom geladener Teilchen – hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff. Das Erdmagnetfeld hält die Teilchen an der obersten Atmosphäre auf, wo ein Teil der Bewegungsenergie aus dem Teilchenstrom in elektrische Energie umgewandelt wird. Bei starken Sonnenwinden zeigt sich diese Energieumwandlung als Polarlichter. Ein internationales Team aus Wissenschaftlern mit Beteiligung der GFZ-Sektion Erdmagnetfeld zeigt nun in einer neuen Studie, erschienen in Annales Geophysicae, dass die Sonnenwinde deutlich mehr Energie zur Erde transportieren als bisher angenommen.

Die Swarm-Satellitenmission der Europäischen Weltraumorganisation ESA erforscht seit Ende 2013 das magnetische Feld der Erde und die Bedingungen im obersten Teil der Erdatmosphäre, unterstützt durch das GFZ. Zwei der insgesamt drei Satelliten der Mission fliegen Seite an Seite und messen dabei selbst kleinste Unterschiede in der Stärke des Erdmagnetfelds auf kurzer Distanz. Damit spüren sie auch Änderungen von elektrischen Strömen im Magnetfeld auf, die durch Sonnenwinde hervorgerufen werden: die sogenannten feldparallelen Ströme. Diese Ströme fließen entlang der Linien des Erdmagnetfelds, wobei elektrische Energie in Richtung Erdoberfläche geleitet wird. Das GFZ hat für die Swarm-Mission die Software zur Messung der feldparallelen Ströme entwickelt.

Der Strom fließt, weil ein Teil der Bewegungsenergie aus dem solaren Teilchenstrom an der Grenze zwischen Erdmagnetfeld und Weltraum in elektrische Energie umgewandelt wird. Dieser Strom wandelt sich dann wiederum in Wärme um. Je stärker der Sonnenwind, desto mehr Strom fließt: geladene Teilchen aus der obersten Erdatmosphäre werden in Richtung Erdoberfläche geschossen. Polarlichter sind die sichtbare Spur dieser Energieumwandlung. Dabei gilt: je stärker der Strom, desto farbenprächtiger die Polarlichter.

Feldparallelen Ströme in polaren Regionen

Die Wissenschaftler haben nun ausgewertet, wieviel elektrische Energie durch die Sonnenwinde entsteht. Mit bisher unerreichter Genauigkeit haben sie mittels der Swarm-Daten auch kleinste feldparallele Ströme nachgewiesen. Dabei konnten sie zeigen, dass ein signifikanter Anteil der Bewegungsenergie der eintreffenden Sonnenwinde von etwa dreißig Prozent in elektrische Energie und damit in Wärme umgewandelt wird. Sie belegen so, dass Sonnenwinde die Hochatmosphäre weit mehr aufheizen als bisher angenommen und eine wichtige Rolle für den Energiehaushalt der oberen Schichten spielen.

Sonnenwinde sind ein permanenter, von der Sonne ausgehender Strom geladener Teilchen – hauptsächlich aus ionisiertem Wasserstoff. Das Erdmagnetfeld hält die Teilchen an der obersten Atmosphäre auf, wo ein Teil der Bewegungsenergie aus dem Teilchenstrom in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die neue Studie wertet Satellitendaten in den hohen Breiten beider Hemisphären aus. Die Wissenschaftler weisen feldparallele Ströme an Orten nach, wo vorherige Missionen nichts dergleichen gefunden haben. „Eine Untersuchung der feldparallelen Ströme in den Polarlichtzonen lässt uns vermuten, dass deutlich mehr Energie durch Sonnenwinde in die obere Erdatmosphäre der Polregionen eingebracht wird, als bisher vermutet wurde”, so Herman Lühr, Erstautor der Studie. Das macht auch deutlich, dass feldparallele Ströme in den Polarlichtzonen ein bedeutender Kopplungsmechanismus zwischen dem Weltraum und der Erdatmosphäre sind. (ak)

🔸Veröffentlichung🔸

Lühr, H., Huang, T., Wing, S., Kervalishvili, G., Rauberg, J., Korth, H., 2016. Filamentary field-aligned currents at polar cap region during northward interplanetary magnetic field derived with the Swarm constellation. Annales Geophysicae, 34, 901–915. DOI: 10.5194/angeo-34-901-2016

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Pia Gaupels

Pia Gaupels, 30, Bibliotheksinformationsstudium an der TH Köln von 2007-2010. Studiert seit 2014 an der Universität Münster Geowissenschaften. Der Schwerpunkt liegt auf Planetare Geologie und Geoinformationswissenschaften. Sie hat die Facebook-Seite GeoHorizon gegründet. Zudem hat sie ausgeprägte Fähigkeiten in der Bild- und Videobearbeitung.

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