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Geomagnetischer Sturm

Definition geomagnetischer Sturm

Als geomagnetischer Sturm bezeichnet man die Störung der Magnetosphäre der Erde. Interne Dynamoprozesse innerhalb der Erde erzeugen langsam veränderliche Magnetfelder. Der kontinuierliche Fluss von Teilchen und Feldern von der Sonne (Sonnenwind genannt) interagiert mit dem Erdmagnetfeld. Starke, vorübergehende Impulse aufgrund von Sonneneruptionen erzeugen eine magnetische Bodenstörung, indem sie die komplexen Stromsysteme in und in der Nähe der Erdatmosphäre beeinflussen. Dies bedeutet, dass sich das Magnetfeld auf der Erdoberfläche von Ort zu Ort unterscheidet und sich mit der Zeit verändert. Einige dieser Veränderungen sind langsam, wie die jahrhundertelange Drift in Richtung des Magnetfeldes; Einige dieser Änderungen sind schnell. Geomagnetischen Störungen innerhalb des Erdmagnetfelds werden mit Hilfe des Disturbance Storm Time (Dst) Index, kurz; DST-Index [nT] gemessen.

Der DST-Index wird stündlich ermittelt und kann auf der Website des Data Analysis Center for Geomagnetism and Space Magnetism eingesehen werden.

Für das Auftreten von Polarlichtern in Deutschland sollte der DST-Index einen möglichst niedrigen, negativen [nT] Wert aufweisen. Ab einem DST-Index von etwa -200nT spricht man von einem heftigen geomagnetischen Sturm mit einer hohen Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Polarlichtern.  Der DST-Index alleine ist jedoch kein zuverlässiger Wert zur Vorhersage von Polarlichtern, da er stündlich ermittelt wird. Im Jahr 1989 kam es zu einem heftigen geomagnetischen Sturm, der das Stromnetz von Montreal (Kanada) ausfielen lies. Der DST-Index lag an diesem Tag bei -589nT.

Das Erdmagnetfeld als Kompass

Magnetfeld des Planeten-Erde
Magnetfeld des Planeten-Erde

 

Die Verwendung von Geomagnetismus zur Navigation begann mit der Verwendung von Kompassen zur Orientierung. Ein Kompass ist ein einfaches magnetisches Instrument, welches auf den magnetischen Norden zeigt. Der magnetische Norden ist vom geographischen Norden um einen Winkel geneigt, der Deklination genannt wird. Um genau zu navigieren, ist es notwendig zu verstehen, wie Deklination über Entfernung und Zeit variiert. Aus diesem Grund gibt es eine lange Geschichte der Kompilation von magnetischen Informationen und Karten. Diese Information ist heute noch wichtig, da Magnetfeldvariationen, wie sie während eines geomagnetischen Sturms auftreten, GPS, Richtbohrungen, elektrische Stromnetze und andere Systeme beeinflussen können.

Magnetische Observatorien wurden erstmals im 19. Jahrhundert unter dem Einfluss von Alexander von Humboldt und Carl Friedrich Gauß gegründet. Seitdem hat sich die magnetische Messung deutlich weiterentwickelt und reicht von einfachen visuellen Messungen mit magnetischen Vermessungsinstrumenten (Magnetometer) bis hin zur automatischen elektronischen Aufzeichnung. Moderne Observatorien liefern sekundengenau sehr genaue Langzeitmessungen des bodennahen Magnetfeldes. Wichtige Magnetometer zur Polarlichtvorhersage befinden sind z.b. in Kiruna (SE), Scheggerott (DE), Gudensberg (DE) und Bellinzona (CH) . Es gibt zwei Möglichkeiten, diese Daten zu betrachten. Beide messen F als die Gesamtgröße des Magnetfelds.

Die geographischen Koordinaten:

  • X – Nordkomponente. Die Stärke des Magnetfeldes in nördlicher Richtung.
  • Y – Ostkomponente. Die Größe des Magnetfelds in Ostrichtung.
  • Z – Abwärtskomponente. Die Größe des Magnetfeldes zum Boden hin

Die relativen Koordinaten:

  • H – Horizontale Intensität. Die Größe des Magnetfelds parallel zum Boden.
  • D – Deklinationswinkel. Der Winkel zwischen geographischem Norden und magnetischem Norden.
  • I – Neigungswinkel. Der Winkel zwischen der vertikalen Richtung und F.

 

Bei geomagnetischen Stürmen schlagen die X, Y und Z-Kompoenten der Magnetometer aus. Je intensiver solch ein Ausschlag ist, desto wahrscheinlicher ist das Auftreten von Polarlichtern. Die Stärke der Ausschläge innerhalb von je 3 Stunden werden mit Hilfe des K-Index zusammengefasst. Der K-Index reicht von 0 – 9. Je höher der Wert ist, desto stärker war der geomagnetische Sturm.

Möchte man selbstständig Polarlichter vorhersagen, dann sollte man immer die Magnetometer im Auge behalten. Am besten eignen sich hierzu z.b. die Magnetometer in Schweden (Kiruna). 

 

Ein Magnetopause-Durchgang

Manchmal drückt der Sonnenwind (z.B. durch einem CME) das Magnetfeld der Erde so stark zusammen, dass die geostationären Satelliten den Einflussbereich des Magnetfeldes verlassen. Sie durchdringen dann die Magnetopause und befinden sich im interstellaren Raum.

Einen Magnetopause-Durchgang erkennt man an den Magnetometern der GOES-Satelliten. Wenn die Magnetfeldstärke abrupt unter Null sinkt, also der Plot abreißt, dann durchdringt der Satellit die Magnetopause. Magnetospause-Durchgänge sind ein Indiz für heftige geomagnetische Stürme und folglich für starke Polarlichter.

Das GOES Magnetometer

Die GOES-Satelliten befinden sich auf einer geostationären Umlaufbahn um die Erde herum. Dabei liegen sie im Einflussbereich des Magnetfeldes der Erde und können dieses sehr genau messen.  Die „Wellenberge“ kommen dadurch zustande, dass das Magnetfeld auf der Tagesseite, also von wo aus der Sonnenwind bläst, stärker zusammengedrückt wird und dadurch schwächer ist. Sie finden diese Grafik hier

Der KP-Index

Der KP-Index zeigt die Schwere des aktuell stattfindenden geomagnetischen Sturmes an (Stärke der Magnetfeldschwankungen) und ist damit ein Gradmesser für eventuelle Polarlichterscheinungen.Je höher der Wert, desto höher die Wahrscheinlichkeit einer Sichtung.

Ab einem KP-Wert von 5 sind theoretisch Polarlichterscheinungen im Norden Deutschlands möglich, für Süddeutschland liegt der Wert bei 7-8. Bei 9 und darüber ist eine Sichtung fast zu 100% sicher.

Kp=6 nur selten ( fotografisches Polarlicht möglich )

Kp=7 zu 50% ( visuelles Polarlicht möglich )

Kp=8 fast immer ( deutlich visuelles Polarlicht )

Kp=9 immer ( Helles Polarlicht in ganz Deutschland )

kp-index - Gradmesser für geomagnetische Stürme
kp-index – Gradmesser für geomagnetische Stürme

Allerdings wurden auch schon Polarlichter bei niedrigeren KP-Werten beobachtet. Man sollte beachten, dass der KP-Index über einen Zeitraum von 3 Stunden bestimmt wird. Liegt ein hoher KP-Index vor, dann kann es sein, dass man das Maximum vom Polarlicht verpasst hast. Deshalb sollte man den KP-Index niemals zur Vorhersage für mögliche Polarlichter heranziehen, sondern lieber auf die Werte des ACE-Satelliten oder die Magnetometer gucken.

Geomagnetische Sturm Skala (NOAA Space Weather Scales)

KategorieStärkeAuswirkungenKP-IndexHäufigkeit
G1geringEnergiesysteme: Es können in hohen Breitengraden schwache Netzschwankungen auftreten.
Raumfahrtoperationen: Geringe Auswirkungen auf den Satellitenbetrieb möglich.
Andere Auswirkungen: Polarlicht ist allgemein in hohen Breitengraden (nördliches Schweden und Norwegen) sichtbar.
Kp=51700 mal pro Zyklus
(900 Tage im Zyklus)
G2mäßigEnergiesysteme: In hohen Breitengraden können Spannungsalarme auftreten, bei lang anhaltenden Geomagnetischen Stürmen kann es zu Schäden an Transformatoren kommen.
Raumfahrtoperationen: Möglicherweise Korrekturmaßnahmen zur Ausrichtung der Satelliten von der Bodenkontrolle nötig
Andere Auswirkungen: HF-Funk (High Frequency / Kurzwelle) kann in höheren Breiten gestört werden, Polarlicht ist bis zum 55 ° Breitengrad zu sehen (Grenze Dänemark/Nord-Deutschland)
Kp=6600 mal pro Zyklus
(360 Tage im Zyklus)
G3starkEnergiesysteme: In hohen Breitengraden sind möglicherweise Spannungskorrekturen erforderlich, bei einigen Schutzgeräten werden Fehlalarme ausgelöst.
Raumfahrtoperationen: In Satellitenkomponenten kann eine Oberflächenladung auftreten. Möglicherweise sind Navigationskorrekturen nötig im die Satelliten in der Bahn zu halten.
Andere Auswirkungen: Probleme in der GPS Satellitennavigation, sowie in der niederfrequenten Funknavigation können auftreten, HF-Funk (High Frequency / Kurzwelle) kann Ausfallen und Polarlicht kann bis zum 50 ° Breitengrad zu sehen sein (Mitteldeutschland)
Kp=7200 mal pro Zyklus
(130 Tage im Zyklus)
G4sehr starkEnergiesysteme: Mögliche weit verbreitete Probleme mit der Spannungssteuerung und einige Schutzsysteme werden aufgrund Fehlalarme wichtige Ressourcen vom Netz nehmen.
Raumfahrtoperationen: In Satellitenkomponenten kann eine Oberflächenladung auftreten. Korrekturen der Satelliten-Navigationssystem werden möglicherweise nötig sein.
Andere Auswirkungen: Strom kann in Pipelines induzieren werden - erhöhte Spannungen in Pipelinesystemen. Sporadische HF-Funkausbreitung, stundenlanger Ausfall der GPS Satellitennavigation, Niederfrequenz-Funknavigation ist möglich. Polarlichter bis zum 45 ° Breitengrad (Bayern / Österreich / Schweiz)
Kp=8, inc. Kp=9-100 mal pro Zyklus
(60 Tage im Zyklus)
G5extremEnergiesysteme: Es können Probleme mit der Spannungssteuerung auftreten und Probleme mit dem Schutzsystem können auftreten. Einige Netzsysteme können vollständig zusammenbrechen oder ausfallen. Transformatoren können Schaden erleiden.
Raumfahrtoperationen: Kann zu großflächiger Oberflächenladung, Orientierungsproblemen, Uplink / Downlink und Tracking-Satelliten führen.
Andere Auswirkungen: Induzierte Pipeline-Ströme können hunderte Ampere erreichen, HF (Hochfrequenz) -Radio-Propagation kann in vielen Gebieten für ein bis zwei Tage ausfallen sein, (GPS) Satellitennavigation und Niederfrequenz-Navigation kann für Tage gestört werden oder komplett Ausfallen. Helle Polarlichter in ganz Deutschland sichtbar. Teilweise sogar zum 40 ° Breitengrad (Spanien/Italien)
Kp=94 mal pro Zyklus
(4 Tage im Zyklus)

Über Dominik Zgrzendek

Mein Name ist Dominik Zgrzendek, ich bin 29 Jahre alt und Gründer des Weblogs „Sonnen-Sturm.info“. Die Astronomie sowie die Beobachtung der Sonne ist ein langjähriges Hobby von mir. Mit diesem Weblog möchte ich euch an meinem Hobby teilhaben lassen und hoffe so, einige für die Astronomie begeistern zu können!

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