Etwa alle tausend Jahre wird die Erde von einem extremen Sonnenereignis heimgesucht, das die Ozonschicht schwer schädigen und die ultraviolette (UV) Strahlung an der Oberfläche erhöhen kann. Im vergangenen Jahrhundert hat sich der magnetische Nordpol mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 Kilometern pro Jahr über den Norden Kanadas bewegt, und das Feld hat sich um mehr als 6 % abgeschwächt. Geologische Aufzeichnungen zeigen, dass es Zeiträume von Jahrhunderten oder Jahrtausenden gab, in denen das Erdmagnetfeld sehr schwach war oder sogar völlig fehlte.
Das Erdmagnetfeld stellt einen lebenswichtigen Schutzkokon dar, indem es elektrisch geladene Strahlung von der Sonne ablenkt. Im Normalzustand funktioniert es wie ein riesiger Stabmagnet, dessen Feldlinien von einem Pol aufsteigen, ihn umwickeln und am anderen Pol wieder abfallen, in einem Muster, das manchmal als „umgekehrte Grapefruit“ bezeichnet wird. Durch die vertikale Ausrichtung an den Polen kann ein Teil der ionisierenden kosmischen Strahlung bis in die obere Atmosphäre vordringen, wo sie mit Gasmolekülen interagiert und das Leuchten erzeugt, das wir Aurora nennen.
Wir können sehen, was ohne das Erdmagnetfeld passieren würde, wenn wir uns den Mars ansehen, der in ferner Vergangenheit sein globales Magnetfeld und damit einen Großteil seiner Atmosphäre verloren hat. Im Mai, kurz nach der Aurora, wurde der Mars von einem starken Sonnenpartikelereignis getroffen. Es störte die Raumsonde Mars Odyssey und führte dazu, dass die Strahlungswerte auf der Marsoberfläche etwa 30-mal höher waren als bei einer Röntgenaufnahme des Brustkorbs.
Die äußere Atmosphäre der Sonne sendet einen konstanten, schwankenden Strom von Elektronen und Protonen aus, der als „Sonnenwind“ bekannt ist. Allerdings stößt die Sonnenoberfläche gelegentlich auch Energieausbrüche aus, meist Protonen, bei Sonnenpartikelereignissen, die oft mit Sonneneruptionen verbunden sind.
Protonen sind viel schwerer als Elektronen und transportieren mehr Energie, sodass sie tiefere Höhen in der Erdatmosphäre erreichen und dort Gasmoleküle in der Luft anregen. Allerdings senden diese angeregten Moleküle nur Röntgenstrahlen aus, die für das bloße Auge unsichtbar sind.
In jedem Sonnenzyklus (etwa 11 Jahre) ereignen sich Hunderte von Ereignissen mit schwachen Sonnenteilchen, aber Wissenschaftler haben im Laufe der Erdgeschichte Spuren von viel stärkeren Ereignissen gefunden. Einige der extremsten waren tausendmal stärker als alles, was mit modernen Instrumenten aufgezeichnet wurde.
Ungefähr alle paar Jahrtausende kommt es zu extremen Sonnenpartikelereignissen. Der jüngste Fall ereignete sich um 993 n. Chr. und wurde verwendet, um zu zeigen, dass für Wikingergebäude in Kanada 1021 n. Chr. gefälltes Holz verwendet wurde.
Über die unmittelbare Wirkung hinaus können Sonnenpartikelereignisse auch eine Kette chemischer Reaktionen in der oberen Atmosphäre auslösen, die zum Abbau der Ozonschicht führen können. Ozon absorbiert schädliche ultraviolette Strahlung der Sonne, die das Sehvermögen und die DNA schädigen (das Hautkrebsrisiko erhöhen) und sich auch auf das Klima auswirken kann.
Ein solches Ereignis könnte den Ozonspiegel für etwa ein Jahr verringern, die UV-Werte an der Oberfläche erhöhen und DNA-Schäden verstärken. Wenn jedoch ein solares Protonenereignis in einer Zeit auftritt, in der das Erdmagnetfeld sehr schwach ist, wird der Ozonschaden sechs Jahre anhalten, was die UV-Werte um 25 % und die Rate sonnenbedingter DNA-Schäden um bis zu 50 % erhöht.
Die jüngste Periode schwachen Magnetfelds, einschließlich einer vorübergehenden Umkehrung des Nord- und Südpols, begann vor 42.000 Jahren und dauerte etwa 1.000 Jahre. Zu dieser Zeit ereigneten sich mehrere wichtige evolutionäre Ereignisse, wie das Verschwinden der letzten Neandertaler in Europa und das Aussterben der Beuteltier-Megafauna, darunter Riesenwombats und Kängurus in Australien.
Ein noch größeres evolutionäres Ereignis wurde auch mit dem Erdmagnetfeld in Verbindung gebracht. Die Entstehung der Metazoen am Ende der Ediacara-Zeit (vor 565 Millionen Jahren), die in Fossilien in den Flinders Ranges in Südaustralien dokumentiert ist, erfolgte nach einem 26 Millionen Jahre dauernden Zeitraum mit schwachen oder fehlenden Magnetfeldern.
Ebenso wurde die schnelle Entwicklung verschiedener Tiergruppen während der kambrischen Explosion (vor etwa 539 Millionen Jahren) mit Geomagnetismus und hohen Mengen an ultravioletter Strahlung in Verbindung gebracht. Die gleichzeitige Entwicklung von Augen und harten Körperschalen in mehreren unabhängigen Gruppen wurde als die beste Möglichkeit beschrieben, schädliche einfallende UV-Strahlen im Rahmen der „Flucht vor dem Licht“ zu erkennen und zu vermeiden.
Astronomen aus den USA haben herausgefunden, dass in der Struktur des Sonnenwinds vorhandene Stoßwellen mit der Magnetosphäre der Erde kollidieren und in einigen Fällen nicht nur helle Polarlichter, sondern auch starke elektrische Ströme auf der Erdoberfläche erzeugen können, die Stromnetze beschädigen können , berichtet die Zeitschrift Frontiers in Astronomy and Space Sciences.
Solche Ausfälle im Betrieb von Stromnetzen treten in der Regel bei starken geomagnetischen Stürmen auf, wie sie beispielsweise im März 1989 in Kanada auftraten. Allerdings können schwächere, aber häufig auftretende Stoßwellen eine ernsthafte Bedrohung für erdgebundene Leitungsnetze darstellen.
Zu diesem Schluss kamen Forscher, als sie untersuchten, wie sich verschiedene Erscheinungsformen des Weltraumwetters auf den Zustand einer Gaspipeline in Südfinnland in der Nähe der Gemeinde Mantäsälä auswirkten. Ein erheblicher Teil dieser Gaspipeline liegt innerhalb der Nordlichtzone. Dies ermöglicht den Einsatz als wissenschaftliches Instrument zur Überwachung elektrischer Ströme, die auf der Erdoberfläche unter dem Einfluss des „Weltraumwetters“ erzeugt werden.
Experten untersuchten, wie sich die elektrischen Eigenschaften dieser Gaspipeline von 1995 bis 2023 veränderten. Die Forscher verglichen diese Messungen mit verschiedenen Erscheinungsformen des „Weltraumwetters“, die die Wind- und ACE-Sonden in unmittelbarer Nähe des Erdnordpols bei besonders hellen Ausbrüchen des Nordlichts aufgezeichnet hatten.
Insgesamt untersuchten die Forscher dreihundert solcher Vorfälle, deren Analyse darauf hinwies, dass in der Gaspipeline teilweise ungewöhnlich starke elektrische Ströme auftraten, die durch die Kollision von Sonnenwind-Stoßwellen mit der Erdmagnetosphäre verursacht wurden. Die Stärke dieses Stroms wurde durch den Winkel bestimmt, in dem die Stoßwelle mit der magnetischen Hülle des Planeten kollidierte, sowie durch die Position des magnetischen Nordpols relativ zur Sonne und Mantyasalya.
Wie Astronomen feststellen, kann die Stärke solcher induzierter elektrischer Ströme bei einer bestimmten Kombination aus Aufprallwinkel und Position des magnetischen Nordpols 20 Ampere überschreiten, was eine erhebliche Gefahr für Stromnetze und empfindliche Geräte darstellen kann. Dies müsse beim Aufbau der Infrastruktur sowohl in der Arktis als auch in benachbarten Regionen der Erde berücksichtigt werden, schlussfolgerten die Forscher.
Ein starker Magnetsturm, der im Mai 2024 die Erde traf, verursachte Nordlichter auch dort, wo sie fast nie beobachtet werden, zum Beispiel im Norden Mexikos und in Russland – auf der Krim. Es störte auch GPS-Satelliten, was es den Landwirten in den USA schwer machte; Viele waren gezwungen, die Aussaat zu unterbrechen. Was jedoch bereits als alarmierenderes „Glockensignal“ eingestuft werden kann, ist die Bildung einer Reihe von Hurrikanen.
Wissenschaftler der Florida State University haben Sturmdaten in der nordöstlichen Region des Golfs von Mexiko rekonstruiert. Anschließend verglichen sie diese Daten mit Schwankungen der gesamten Sonneneinstrahlung. Die Sonnenaktivität wurde anhand von Baumringen überwacht – ihre Spitzen und Täler werden bekanntlich durch den Kohlenstoff-14-Gehalt des Holzes angezeigt. Die Ergebnisse zeigten, dass in den letzten 5.500 Jahren in bestimmten Zeiträumen (11 Fälle) die Häufigkeit der Bildung tropischer Wirbelstürme stark um 40 % zunahm. Diese Perioden hatten eines gemeinsam: Die Sonne war aggressiv.
Wissenschaftler gehen davon aus, dass eine aktivere Sonne mehr Energie zur Erde sendet, was die Ozeane erwärmt und Treibstoff für tropische Stürme liefert. Heute ist die Leuchte auf dem Weg zu ihrem Maximum. Im Mai wurde auf dem Planeten ein magnetischer Sturm mit einer Stärke von G4 auf einer 5-Punkte-Skala registriert. Experten bewerteten es als „stark“.
Diese Ergebnisse erschienen in gedruckter Form zu einer Zeit, als die Hurrikansaison in Amerika bereits begonnen hatte. Es verspricht ein Rekordereignis zu werden – Meteorologen rechnen mit mindestens 20 Stürmen. Wissenschaftler stellten fest, dass ihre Intensivierung neben der Sonneneinstrahlung auch durch hohe Temperaturen im Atlantischen Ozean (nahe dem Rekordniveau), die Entwicklung von La-Niña-Wetterbedingungen im Pazifischen Ozean, schwächere Passatwinde im Atlantik und weniger Wind begünstigt wird scheren, berichtet das Internetportal MIR24 mit Link zu Science Direct.
Dunkle Plasmaausbrüche, auch „kalte“ Sonneneruptionen genannt, haben eine 60-prozentige Wahrscheinlichkeit, Funkausfälle auf der Erde zu verursachen, berichtete die Daily Mail unter Berufung auf Daten der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). „Der Ausbruch könnte die Funk-, Luftfahrt- und Satellitenkommunikation stören, wenn er bis mindestens Freitag auftritt“, schreibt die Zeitung.
Nach Angaben der NOAA, die in der Veröffentlichung zitiert wird, liegt die Wahrscheinlichkeit von Funkausfällen auf der Erde aufgrund von Fackeln bei 60 Prozent.
Sogenannte „kalte“ Sonneneruptionen mit einer niedrigeren Temperatur als „warme“ sind erst im letzten Jahrzehnt Gegenstand ernsthafter Untersuchungen durch Astrophysiker geworden. Sie scheinen mindestens so viel Mikrowellenstrahlung zu haben wie „warme“ Sonneneruptionen und erzeugen außerdem höhere Spitzenfrequenzen der Gyrosynchrotronstrahlung – genau die Strahlungsform, die für die intensive und zerstörerische Radioemission der Eruption verantwortlich ist.
Beispielsweise ereignete sich am späten Samstag (13. Juli) um 22:34 Uhr ET (02:34 UT, 14. Juli) eine Sonneneruption vom Sonnenfleck AR3738, und das Solar Dynamics Observatory der NASA hat die dynamische Szene aus dem Weltraum aufgenommen. Der Ausbruch verursachte kurz nach dem Ausbruch Verluste im Kurzwellenfunk in Australien, Südostasien und Japan. Diese Verluste treten häufig nach starken Sonneneruptionen aufgrund der intensiven Ausbrüche von Röntgenstrahlung und extremer ultravioletter Strahlung auf, die bei diesen Ereignissen emittiert werden.
Strahlung von Sonneneruptionen bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit auf die Erde zu und ionisiert (elektrisch aufgeladen) die obere Atmosphäre bei ihrer Ankunft. Diese Ionisierung schafft eine dichtere Umgebung für die Übertragung hochfrequenter, kurzwelliger Funksignale, um die Kommunikation über große Entfernungen zu erleichtern. Da Radiowellen mit Elektronen in den ionisierten Schichten interagieren, verlieren sie aufgrund zunehmender Kollisionen Energie, wodurch Radiosignale beeinträchtigt oder vollständig absorbiert werden können.