Kurzschluss im Erdmagnetfeld

Raumsonden haben das Rätsel vom Ursprung der Polarlichter gelöst. Sie waren dort, wo kosmische Teilchen zur Erde katapultiert werden.

„Aus den Wolken blutig rot" hängt Gott „den Kriegsmantel 'r unter". Was Friedrich Schiller in „Wallensteins Lager" symbolisch auflud, war in der Realität nicht selten einem Krieg vorausgegangen – dem Deutsch-Französischen von 1870 etwa oder dem Zweiten Weltkrieg. Zu allen Zeiten verbreiteten die furiosen Himmelserscheinungen der Polarlichter Furcht und Faszination zugleich. In der germanischen Mythologie wurden sie gedeutet als Reflexion an den Schilden der Walküren, die die Seelen gefallener Krieger nach Walhall führten. Und Ovid ließ in seinen „ Metamorphosen" vor Cäsars Ermordung „dicht an den Gestirnen Fackeln brennen". Es gab aber auch friedliche Deutungen: Bei den russischen Sami der Kola-Halbinsel und bei den Inuit Labradors galten die Nordlichter als Brücke zwischen Himmel und Erde. Und in Indianermythen spielten Menschen Ball in Wababan, dem lichtdurchfluteten Land des Nordlichts, wobei sie Lichter an Kopf und Regenbogengürtel trugen.

Das diffuse Glühen in Form einzelner Bögen, Bänder, Strahlen und Schleier hat zu allen Zeiten Rätsel aufgeworfen. Doch erst jetzt – nach jahrzehntelangen Anstrengungen in Theorie und Messung – haben Physiker herausgefunden, warum es Polarlichter überhaupt gibt. Tatsächlich dürften in der Natur Polarlichter eigentlich gar nicht entstehen – jedenfalls nicht nach den physikalischen Gesetzen, die die elektromagnetischen Vorgänge in einem idealen Plasma beschreiben, wie es in der Umgebung der Erde herrschen sollte. Bei einem Plasma handelt es sich um ein ionisiertes Gas, in dem sich Atomkerne und Elektronen fast unabhängig voneinander bewegen. Die geladenen Teilchen verlassen dabei „ihre" Magnetfeldlinien nie, sondern bewegen sich nur mit und in ihnen, und diese Linien überkreuzen sich auch nicht. Anscheinend ist es also falsch, im All neben der Erde ein ideales Plasma anzunehmen.

Die Polarlichter werden im Norden auch Aurora Borealis genannt, wie sie 1621 der französische Physiker Pierre Gassendi getauft hat, und im Süden Aurora Australis, was auf Kapitän James Cook zurückgeht, der sie 1773 beschrieb. Sie entstehen durch Fluoreszenz, wie man sie von Leuchtstoffröhren her kennt. Treffen elektrisch geladene Teilchen – hauptsächlich Elektronen, aber auch Protonen, Helium-Kerne und schwere Ionen – auf die oberen Schichten der Erdatmosphäre, werden die Luftmoleküle dort zum Leuchten angeregt. Die meisten Polarlichter bilden sich in den Polgegenden. Nördlich des Polarkreises sind sie fast ganzjährig zu sehen, in gemäßigten Breiten nur wochen- oder tageweise. Sie reichen mitunter bis nach Norditalien. In Deutschland sieht man jährlich etwa 10 bis 15 von ihnen.

Polarlichter sind kein aufsteigender Dunst, der von Sonnenstrahlen getroffen wird, wie Galileo Galilei noch dachte, sondern werden von den energiereichen Teilchen des Sonnenwinds erzeugt, die das Erdmagnetfeld zu den magnetischen Polen lenkt. Wie das vor sich gehen könnte, demonstrierte der Physiker Kristian Birkeland 1896 erstmals in seinem Labor im Keller der Universität von Oslo. Er hing eine magnetisierte Kugel in einen leergepumpten Glaskasten und beschoss sie mit Elektronen, worauf leuchtende Ringe um die beiden Magnetpole entstanden.

Aber es dauerte lange, bis sich sein Modell durchsetzte. Die Existenz des Sonnenwinds – rund eine Million Tonnen Plasma bläst unser Zentralstern pro Sekunde ins All – wurde 1951 von dem Astrophysiker Ludwig Biermann aus dem Studium von Kometenschweifen erschlossen. Und die Magnetosphäre um die Erde – den Begriff prägte der aus Wien in die USA emigrierte Physiker Thomas Gold 1959 – spürten erst Raumsonden auf.

Doch wie können die Teilchen des Sonnenwinds überhaupt in die Atmosphäre gelangen, wenn das irdische Magnetfeld sie doch eigentlich abschirmt? Darüber rätselten die Wissenschaftler jahrzehntelang. Jetzt fanden zwei internationale Forscherteams die Antwort mit Hilfe der Messdaten der europäischen Cluster-Sonden. Diese vier am 16. Juli 2000 gestarteten Raumsonden durchqueren regelmäßig den Magnetschweif der Erde – den auf der Nachtseite gelegenen Teil des Erdmagnetfelds, der durch den Sonnenwind in die Länge gezogen wird. Darin kommt es mehrfach täglich zu so genannten magnetischen Teilstürmen. Und diese „Substorms" schleudern jene Partikel zur Erde, die dann die Polarlichter erzeugen.

Wie die komplexen Prozesse ablaufen, haben Wissenschaftler mit den Messungen der Cluster-Sonden rekonstruiert – und dabei ein theoretisches Modell bestätigt, das der britische Physiker James Dungey schon 1961 vorgeschlagen hatte, das aber nicht allgemein akzeptiert war, sondern mit anderen Spekulationen konkurrierte – beispielsweise einer „Einschleusung" der Teilchen nur entlang der irdischen Magnetpole.

Entscheidend ist offenbar die Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld, das der Sonnenwind mit sich führt, und dem Erdmagnetfeld (siehe Grafik nächste Seite „Magnetische Schleuder" ). Ständig trifft das Magnetfeld des von der Sonne wegströmenden Sonnenwinds auf das der Erde. Es wechselt mehrfach täglich seine Richtung. Ist es dem Erdmagnetfeld entgegengesetzt – also südwärts – gerichtet, entsteht dort, wo die Magnetlinien aufeinander prallen, ein neutraler Punkt. An diesem magnetischen Nullpunkt, über der Tagseite der Erde gelegen, brechen die Magnetfeldlinien auf und verbinden sich neu. Dieser Prozess, eine Art magnetischer Kurzschluss, wird Rekonnexion genannt. Er ist die Ursache für den später auf der irdischen Nachtseite einsetzenden magnetischen Teilsturm. „Im magnetischen Nullpunkt treffen entgegengesetzt gerichtete Magnetfeldlinien direkt aufeinander. Die mit den Feldlinien transportierten geladenen Teilchen spüren deshalb hier kein Magnetfeld", sagt Axel Korth vom Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung in Katlenburg-Lindau. „Dieses Aufeinandertreffen führt dazu, dass die Magnetfeldlinien aufbrechen und sich in veränderter Ordnung neu verbinden. Allerdings wissen wir nicht, wie das geschieht."

Nach der Rekonnexion bilden die Magnetfeldlinien von Sonnenwind und Erde eine Einheit. Während der Sonnenwind die Erde passiert, werden die Feldlinien mitgezogen. Doch ihr irdischer Anteil bleibt fest mit dem Nord- beziehungsweise Südpol verbunden, sodass die Linien immer weiter von Sonne und Erde weggebogen werden. Weit hinter der Erde auf deren Nachtseite kommen sich die nördlichen und südlichen Linien durch Instabilitäten im Magnetschweif schließlich wieder so nahe, dass hier ein zweiter neutraler Punkt entsteht. Es kommt erneut zu einem magnetischen Kurzschluss.

In dieser zweiten Rekonnexion werden die vorher getrennten Magnetfeldlinien der Erde wieder verbunden. „Die vom Sonnenwind in die Länge gezogenen Erdmagnetfeldlinien schnellen jetzt wie Gummibänder in ihre eigentliche Position zurück", erklärt Axel Korth. Dabei wird viel Energie freigesetzt – und die ist dafür verantwortlich, dass Teilchen des Sonnenwinds bis in die Erdatmosphäre geschleudert werden und dort Polarlichter hervorrufen.

Diesen zweiten magnetischen Nullpunkt hinter der Nachtseite der Erde, rund 100 000 Kilometer von der Erdoberfläche entfernt, hat die Cluster-Flotte am 15. September 2001 gegen 5:00 Uhr Weltzeit durchflogen. Das haben Korth und seine Kollegen jetzt in einer aufwendigen mathematischen Analyse nachgewiesen.

„Aus den Messdaten kann man den Nullpunkt nicht direkt erkennen. Denn der lag irgendwo zwischen den vier Satelliten, die ihn im Formationsflug passiert haben", sagt Korth, der an der Entwicklung der Ionen- Spektrometer beteiligt war. Diese Instrumente vermessen an Bord der Cluster-Sonden Energien und Geschwindigkeiten der geladenen Teilchen im All. Die Sonden bildeten beim Flug einen Tetraeder – eine Pyramide mit dreieckiger Grundfläche – mit einem Abstand von etwa 1000 Kilometern zueinander. Aus ihren Daten ließ sich erstmals die rund 500 Kilometer große spiralförmige Struktur des magnetischen Nullpunkts errechnen.

Ein besseres Verständnis der Vorgänge im magnetischen Nullpunkt könnte auch ganz irdische Folgen haben: Es könnte den Bau von Kernfusionsreaktoren voranbringen. Denn bei ihnen macht die Rekonnexion große Probleme. Magnetfelder sollen das mehr als 100 Millionen Grad heiße Fusionsplasma von den Wänden des Reaktorgefäßes fernhalten. Brechen die Magnetfeldlinien bei Rekonnexionen auf, wird der „Käfig" geöffnet, und Plasmateilchen entkommen in Richtung Wand. Ob sich die Messungen des magnetischen Nullpunkts hinter der Erde aber ohne Weiteres nutzen lassen, ist noch unklar. „Die Größenverhältnisse kann man nicht so einfach übertragen", sagt Korth. „Während der Rekonnexionsprozess in der Erdmagnetosphäre eine Million Kubikkilometer betrifft, sind es im Fusionsreaktor nur wenige Kubikzentimeter."

Während Rekonnexionen im Fusionsreaktor unerwünschte Ausgänge für heiße Plasmateilchen schaffen, öffnet der von Korths Gruppe untersuchte magnetische Nullpunkt einen Eingang für Teilchen und Energie aus dem Sonnenwind. Die Theorie, dass die dort stattfindenden Rekonnexionen tatsächlich die Teilchen- und Energielieferanten für das Polarlicht sind, wird von dem Ergebnis einer Gruppe um Jinbin Cao erhärtet. Der Professor am Staatlichen Hauptlaboratorium für Weltraumwetter in Peking ging der Vermutung nach, dass alle magnetischen Teilstürme von schnellen Teilchenströmen begleitet werden, die wiederum von den „ zurückschnellenden" Magnetfeldlinien der Rekonnexionen erzeugt werden und große Mengen von Teilchen und Energie in Richtung Erde transportieren. „Frühere Messungen, die jeweils von einem einzelnen Satelliten stammten, ließen Zweifel an dieser Vermutung aufkommen", sagt Cao. „Mehr als 20 Prozent der Teilstürme schienen nicht von Teilchenströmen begleitet zu werden."

Den Forschern um Cao stand für ihre Messungen ebenfalls die Cluster-Flotte zur Verfügung. Während zweier Zeiträume von jeweils vier Monaten 2001 und 2002 registrierten die Sonden insgesamt 67 magnetische Teilstürme und 209 schnelle Teilchenströme. Die Wissenschaftler fanden heraus, dass nur 5 Prozent der Teilstürme nicht von Teilchenströmen begleitet werden. Zogen sie für die Auswertung der Daten nur einen Satelliten heran, erhielten sie das alte Ergebnis von 20 Prozent. Der Grund für diese Diskrepanz: Die Teilchenströme sind zeitlich und räumlich begrenzt – und ein einzelner Satellit kann nicht überall gleichzeitig sein. Leider war das relevante Instrument auf einem der vier Satelliten während der Messzeiträume defekt, sodass nur drei Satelliten Messungen lieferten. Sonst wäre die Fehlrate von 5 Prozent womöglich noch niedriger ausgefallen. Doch Cao ist überzeugt: „Alle Teilstürme werden von schnellen Teilchenströmen begleitet, deren Ursache wiederum Rekonnexionen sind."

Das von James Dungey vor über 40 Jahren entworfene Bild eines gewaltigen, aus Magnetfeldlinien bestehenden Katapults, das Teilchen und Energie zur Erde schleudert, gewinnt mit den neuen Ergebnissen also an Konturen. Es könnte auch dabei helfen, ähnliche Vorgänge auf der Sonnenoberfläche zu verstehen. Denn als Ursache der koronalen Massenausbrüche – gewaltiger Explosionen auf der Sonne – vermuten Astronomen ebenfalls gewaltige Rekonnexionsschleudern. ■

Axel Tillemans und Rüdiger Vaas

Ohne Titel

• Wie und woher Polarlichter ihre Energie beziehen und warum der Sonnenwind ins Erdmagnetfeld eindringen kann, war lange Zeit unklar.

• Nun haben die Cluster-Sonden magnetische Kurzschlüsse als Energiequellen und Eingangspforten aufgespürt.

COMMUNITY Internet

Homepage der Cluster-Mission:

sci.esa.int/science-e/www/area/ index.cfm?fareaid=8

Informationen zu Sonnenwind und Erdmagnetosphäre:

www.agu.org/sci_soc/cowley.html

www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/wmpause.html

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