Der Magnetschild der Erde

Wie die Erde den Wind der Sonne abhält und was ein Sonnensturm bewirkt

Schritt für Schritt

Die Erde ist ein Magnet

Flüssiges Eisen, das im äußeren Erdkern strömt, erzeugt ein Magnetfeld. Am Boden ist es etwa hundertmal schwächer als ein Kühlschrankmagnet, reicht aber weit ins All hinaus. Seine Pole liegen etwa 9° neben der Achse, um die sich die Erde dreht.

Fast auf halbem Weg zum Erdmittelpunkt liegt der äußere Kern: ein Ozean aus flüssigem Eisen, Tausende Grad heiß. Von unten aufsteigende Wärme hält ihn in Bewegung, und die Erddrehung verdreht die Strömungen zu Spiralen. Bewegtes Eisen führt elektrische Ströme, elektrische Ströme erzeugen ein Magnetfeld, und das Feld hält die Ströme in Gang: ein natürlicher Dynamo, der seit Milliarden von Jahren läuft.

Die Linien zeigen die Form des Feldes: Eine Kompassnadel richtet sich an ihnen aus. Sie treten auf der Südhalbkugel aus der Erde aus und kommen nahe dem Norden wieder hinein. Der Pol, auf den ein Kompass zeigt, ist daher genau genommen ein magnetischer Südpol.

Die Magnetpole wandern, und im Schnitt alle paar Hunderttausend Jahre kippt das Feld: Nord und Süd tauschen die Plätze. Die letzte Umpolung liegt etwa 780.000 Jahre zurück. Lava hält beim Abkühlen die Richtung des Feldes fest, und so führen alte Gesteine Tagebuch über jede Umpolung.

Der Wind der Sonne

Die äußere Atmosphäre der Sonne, die Korona, ist Hunderte Male heißer als ihre sichtbare Oberfläche, so heiß, dass die Schwerkraft der Sonne sie nicht halten kann. Sie strömt in alle Richtungen ins All: der Sonnenwind. Eugene Parker sagte ihn 1958 voraus, und wenige Jahre später bestätigten ihn Raumsonden.

Der Wind ist Plasma: Gas, so heiß, dass seine Atome in geladene Teilchen zerlegt sind, vor allem Protonen und Elektronen. Er ist extrem dünn, nur ein paar Teilchen im Raum eines Zuckerwürfels, leerer als das beste Vakuum, das je in einem Labor erzeugt wurde. Und doch hört er nie auf und trägt das Magnetfeld der Sonne durch das ganze Sonnensystem.

Geladene Teilchen können Magnetfeldlinien nicht einfach überqueren; stattdessen kreisen sie spiralförmig um sie. Deshalb wirkt das Feld der Erde wie ein Schild, der den Wind um den Planeten herumlenkt. Der Mars hat kein solches globales Feld, und über Milliarden Jahre hat ihm der Sonnenwind einen Großteil seiner Luft entrissen.

Der Schild

Der Sonnenwind ist schneller als jede Welle, die ihm vorauseilen und ihn vor dem Hindernis warnen könnte. Deshalb kann er der Erde nicht sanft ausweichen: Er bremst an der Bugstoßwelle abrupt ab und heizt sich auf, wie die Welle, die sich vor dem Bug eines fahrenden Bootes auftürmt.

Hinter der Stoßwelle strömt der abgebremste Wind um die Magnetopause herum, wo sich sein Druck und der Druck des Erdmagnetfelds die Waage halten. Das ist der Rand der Magnetosphäre, der magnetischen Blase der Erde: Innen hat das Erdfeld das Sagen, außen der Wind der Sonne.

Die Blase ist auf der sonnenzugewandten Seite gestaucht und weit nach hinten gezogen, wie ein Windsack. Ihre Größe ändert sich mit dem Wind: Bläst er stärker, wird die Magnetopause näher an die Erde gedrückt. Im All sind beide Grenzen unsichtbar; hier sind sie als leuchtende Flächen gezeichnet.

Ein Schweif bis hinter den Mond

Auf der Nachtseite zieht der Sonnenwind das Erdfeld zu einem langen Schweif aus, dem Magnetschweif. Wie lang er genau ist, weiß niemand. Raumsonden haben ihn weit jenseits des Mondes gefunden, und vielleicht reicht er mehr als 15-mal so weit wie der Mond.

Mitten durch den Schweif zieht sich die Plasmaschicht, eine Lage heißer geladener Teilchen. Darüber und darunter zeigen die Feldlinien in entgegengesetzte Richtungen, gespannt wie Gummibänder, und speichern Energie aus dem Sonnenwind. Schnellen sie zurück, bringt diese Energie die Polarlichter zum Leuchten, wie ein späterer Schritt zeigt.

Der Mond verbringt jeden Monat etwa sechs Tage im Schweif, von drei Tagen vor Vollmond bis drei Tage danach. Dort ist er vor dem Sonnenwind geschützt, und die japanische Sonde Kaguya fand Sauerstoff aus der oberen Erdatmosphäre, der auf ihm landet.

Die Strahlungsgürtel

Ein geladenes Teilchen kreist spiralförmig um eine Magnetfeldlinie. Nahe den Polen, wo sich die Linien zusammendrängen und das Feld stärker wird, zieht sich die Spirale zusammen, bis das Teilchen umkehrt, wie von einem Spiegel zurückgeworfen. So pendelt es in einer Sekunde oder weniger von Pol zu Pol, driftet dabei einmal ganz um die Erde und kann jahrelang gefangen bleiben.

Der innere Gürtel enthält vor allem Protonen mit enormer Energie und verändert sich kaum. Der äußere besteht vor allem aus Elektronen und ändert sich ständig: Ein Sonnensturm kann ihn innerhalb von Stunden leeren oder füllen.

Explorer 1, der erste US-Satellit, trug einen Strahlungszähler, den das Team von James Van Allen gebaut hatte. Weit oben zählte er gar nichts, was keinen Sinn ergab, bis Explorer 3 zeigte, warum: Die Strahlung war so stark, dass sie den Zähler übersteuerte.

Mit Ton hören Sie die Gürtel: Radiowellen, aufgenommen von den Van-Allen-Sonden der NASA. Ihre Frequenzen sind dieselben wie die von Tönen, die wir hören können, deshalb kann ein Lautsprecher sie direkt abspielen. Wellen wie diese beschleunigen manche Elektronen und schicken andere hinab in die Luft.

Ein Sonnensturm

Sonnenflecken sind dunklere, kühlere Stellen, an denen das Magnetfeld der Sonne durch ihre Oberfläche bricht, verknäult und verdreht. Schnappt ein verdrehtes Feld in eine einfachere Form, setzt es ungeheure Energie frei: einen Blitz aus Licht und Röntgenstrahlen, Flare genannt, und oft eine Gaswolke mit eigenem Magnetfeld, die ins All geschleudert wird, einen koronalen Massenauswurf.

Das Licht des Flares erreicht die Erde in etwa acht Minuten; eine Wolke braucht ein bis vier Tage. Teleskope, die die Sonne beobachten, warnen ein paar Tage vorher, doch wie stark eine Wolke wirklich ist, zeigt sich erst, wenn sie an Raumsonden vorbeizieht, die viermal so weit entfernt stehen wie der Mond, weniger als eine Stunde bevor sie uns erreicht.

Im Mai 2024 war die Fleckengruppe AR 3664 mehr als 15-mal so breit wie die Erde, groß genug, um sie ohne Teleskop durch eine Sonnenfinsternisbrille zu sehen. Die Sonne war nahe dem Höhepunkt ihres elfjährigen Zyklus, und am 8. und 9. Mai schleuderte die Gruppe Wolke um Wolke in Richtung Erde.

Zusammengedrückt

Am wichtigsten ist, wohin das eigene Feld einer Wolke zeigt. Auf der sonnenzugewandten Seite zeigt das Erdfeld nach Norden. Zeigt das Feld einer Wolke nach Süden, sind beide entgegengesetzt und können sich verbinden, so wie entgegengesetzte Pole zweier Magnete zusammenschnappen. Der Schild öffnet sich: Die Feldlinien der Erde hängen sich an den Wind, der sie über die Pole in den Schweif zieht und dabei Energie hineinpumpt.

Eine Wolke, deren Feld nach Norden zeigt, gleitet meist vorbei, und selbst eine schnelle richtet wenig Schaden an. Deshalb können Vorhersager erst sagen, wie stark ein Sturm wird, wenn die Wolke die Raumsonden erreicht, die auf sie warten.

Nord- und Südlichter

Die im Schweif gespeicherte Energie bleibt nicht dort. Die gespannten Feldlinien schnellen wie ein Katapult zur Erde zurück und schleudern Elektronen entlang des Feldes. Die Linien kommen nahe den Polen herunter, deshalb treffen die Elektronen in einem Ring um jeden Magnetpol auf die obere Atmosphäre: das Polarlichtoval, das hier leuchtet.

Trifft ein Elektron auf ein Sauerstoffatom oder ein Stickstoffmolekül, gibt es ihm zusätzliche Energie, die als Licht einer ganz bestimmten Farbe wieder herauskommt, so wie eine Neonröhre leuchtet. Sauerstoff leuchtet grün. Weiter oben, wo die Luft am dünnsten ist, leuchtet er stattdessen rot: Dieses rote Licht braucht fast zwei Minuten, um herauszukommen, und weiter unten würde ein Zusammenstoß ihm die Energie vorher rauben. Stickstoff leuchtet blau und violett.

Polarlichter im Norden und Süden leuchten gleichzeitig, fast spiegelbildlich. Auch andere Planeten mit Magnetfeld haben sie: Die Polarlichter des Jupiters sind größer als die ganze Erde.

Der Sturm vom Mai 2024

Es war der stärkste Sturm seit 2003. Polarlichter waren so weit von den Polen entfernt wie in Mexiko, Indien und Namibia zu sehen, und im Juni fand der NASA-Satellit CIRBE zwei neue Teilchengürtel, die er zwischen den Van-Allen-Gürteln hinterlassen hatte.

Während der Sturm Energie hineinpumpte, dehnten sich die Lichtringe weit in Richtung Äquator aus, und Millionen Menschen sahen zum ersten Mal ein Polarlicht. Handykameras erfassten mehr als die Augen: Sie nehmen schwache Rot- und Rosatöne auf, die unsere Augen nachts kaum sehen.

Weltraumstürme reichen bis in unsere Technik hinein. GPS-Positionen verschoben sich, sodass satellitengesteuerte Traktoren mitten in der Frühjahrsaussaat in Nordamerika aus ihren Reihen liefen. Die erhitzte obere Atmosphäre blähte sich auf und bremste niedrig fliegende Satelliten, und Tausende von ihnen mussten ihre Triebwerke zünden, um ihre Bahn zu halten.

Der Sturm hinterließ auch etwas Neues. Im Juni fand CIRBE, ein NASA-Satellit von der Größe eines Schuhkartons, zwei neue Gürtel zwischen den Van-Allen-Gürteln, einer davon mit Protonen darin, eine nie zuvor gesehene Zusammensetzung. Der Elektronengürtel verblasste nach etwa drei Monaten; der andere hielt sich weit länger.

Trotzdem war es nicht der stärkste Sturm, der je gemessen wurde. 1859 ließ das Carrington-Ereignis Polarlichter bis in die Tropen leuchten und Telegrafenleitungen Funken sprühen. Ein solcher Sturm könnte heute weit mehr Schaden anrichten, deshalb wird die Sonne rund um die Uhr beobachtet.