Dieses Foto des Nordlichts hat der Fotograf Harald Albrigtsen am 9. Januar 2014 in Tromsø, Norwegen, aufgenommen.(Bildnachweis: Harald Albrigtsen)
Neue Forschungsergebnisse deuten darauf hin, dass das Verständnis von Faktoren, die den Lichtspielen über der Erde, dem Saturn und dem Jupiter gemeinsam sind, helfen kann, riskantes Weltraumwetter vorherzusagen.
Die atemberaubenden Nord- und Südlichter sind Beispiele für Polarlichter über der Erde, die den Himmelsbeobachtern sehr vertraut sind. Anfang Mai erlebte die Erde das stärkste Polarlicht-Ereignis seit 21 Jahren und erinnerte uns an die atemberaubende Schönheit dieser Phänomene.
Auroras entstehen über den Polen unseres Planeten, wenn geladene Teilchen, die den Sonnenwind bilden, auf das schützende Magnetfeld der Erde, die Magnetosphäre, treffen. Diese Teilchen bewegen sich entlang der Magnetfeldlinien und interagieren mit den Atomen in unserer Atmosphäre, wodurch sie Licht aussenden. Das Bombardement geladener Teilchen von der Sonne erzeugt jedoch nicht nur schöne Lichtspiele über der Erde. Er kann auch zu „Weltraumwetter“ führen, wie z. B. zu geomagnetischen Stürmen, die manchmal Satelliten, Kommunikationssysteme und sogar die Energieinfrastruktur auf der Erde bedrohen.
Unser Planet ist nicht die einzige Welt des Sonnensystems, die an ihren Polen Polarlichter erlebt. Diese unglaublichen Lichtspiele treten auch bei den Gasriesen Jupiter und Saturn sowie beim kalten Eisriesen Uranus auf. Tatsächlich sollten Polarlichter um jeden Planeten mit einer Atmosphäre und einem Magnetfeld möglich sein – und wie Astronomen 2018 entdeckten, können Polarlichter auch über extrasolaren Planeten, oder „Exoplaneten“, gesehen werden.
Die Magnetfelder von Erde, Saturn und Jupiter ähneln sich insofern, als sie alle eine trichterförmige Geometrie aufweisen. Dies führt dazu, dass energiereiche Teilchen wie die Elektronen im Sonnenwind in den Polarregionen niedergehen, so dass die stärksten Polarlichter auf die Pole dieser Planeten beschränkt sind.
Es gibt jedoch viele Möglichkeiten, wie Polarlichter über jedem dieser Planeten entstehen, was sie voneinander unterscheidet. Unterschiede in der Stärke der Magnetfelder, der Rotationsgeschwindigkeit dieser Planeten, den Bedingungen der Sonnenwinde, wenn sie auf die Planeten treffen, und sogar die Aktivität der Monde um diese Welten können zu unterschiedlichen Polarlichtstrukturen führen.
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Trotz dieser Unterschiede ist ein Team von Wissenschaftlern des Fachbereichs Geowissenschaften der Universität Hongkong (HKU) der Ansicht, dass ein einheitliches Verständnis darüber, wie der Sonnenwind Polarlichter auf verschiedenen Planeten erzeugt, zu wichtigen praktischen Anwendungen führen könnte. Diese Einheit kann uns helfen, die magnetische Umgebung unseres Sonnensystems, einschließlich der Erde, zu überwachen, vorherzusagen und zu erforschen.
„Unsere Studie hat das komplexe Zusammenspiel zwischen Sonnenwind und Planetenrotation aufgedeckt und ein tieferes Verständnis der Polarlichter auf verschiedenen Planeten ermöglicht“, sagte Binzheng Zhang, Teamleiter und Wissenschaftler der HKU, in einer Erklärung. „Diese Erkenntnisse werden nicht nur unser Wissen über die Polarlichter in unserem Sonnensystem erweitern, sondern möglicherweise auch auf die Untersuchung von Polarlichtern in exoplanetaren Systemen ausgedehnt.“
Ein zusammengesetztes Bild von Polarlichtern auf dem Jupiter, aufgenommen mit dem Imaging Spectrograph des Hubble-Weltraumteleskops. (Bildnachweis: NASA, ESA und J. Nichols (University of Leicester))
Um die Dynamik des planetarischen Magnetfelds zu untersuchen, untersuchte das Team die Art und Weise, wie elektromagnetische Felder wie die der Magnetosphäre der Erde mit elektrisch leitenden Flüssigkeiten interagieren, die die Rolle der geladenen Teilchen im Sonnenwind übernehmen. Die dreidimensionale Modellierung half ihnen, besser zu verstehen, wie Polarlichter über verschiedenen Planeten unterschiedliche Formen oder „Morphologien“ annehmen. Dies kann dann genutzt werden, um zu verstehen, wie sich diese unterschiedlichen Morphologien der Polarlichter auf die verschiedenen Bedingungen auf dem Planeten auswirken.
Wie sich herausstellt, führt die Kombination von Sonnenwindbedingungen und Planetenrotation zu einem neuen Parameter, der die Hauptstruktur der Polarlichter steuert. Dies kann genau erklären, warum auf der Erde, dem Saturn und dem Jupiter unterschiedliche Polarlichtstrukturen beobachtet werden. Die Tatsache, dass die unterschiedlichen Polarlichter der Erde und des Jupiters mit Hilfe eines einheitlichen Rahmens erklärt werden können, war eine große Überraschung, so das Team.
Die Wechselwirkung von Sternwinden mit planetarischen Magnetfeldern ist ein grundlegender Prozess im Kosmos.
Diese Erkenntnisse könnten nicht nur zu einem besseren Verständnis der magnetischen Umgebung der Erde und des gesamten Sonnensystems beitragen, sondern auch zu einem besseren Verständnis der Bedingungen ferner Planetensysteme.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Nature Astronomy veröffentlicht.
