Satellit – Unsere Erde

Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne – Gezeiten und zeitliche Varianzen

Gliederung

1 Einleitung

2 Gravitation

2a Grundlagen

2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne

3d Lunisolare Gezeiten

3e Zeitliche Varianzen

4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten

5 Fazit

1 Einleitung

Die Erde wird stetig durch diverse astronomische Einflüsse geprägt, sei es durch verschiedene Strahlungspektren, feste Objekte ohne bestimmte Laufbahnen, oder eben die Gravitation. Diese besitzt eine unendliche Reichweite und lässt sich nicht abschirmen. Das gesamte Universum wird durch diese definiert und dominiert (Müller 2014). Sie ist außerdem verantwortlich für das Bestehen von Umlaufbahnen der Planeten und den damit einhergehenden generellen Erhalt unseres Sonnensystems (MinutePhysics o.J.)

In diesem Text wird das Wirkungsgeflecht der Gravitation von Erde, Mond und Sonne näher erläutert. Denn dieses hat essentielle, groß- und kleinräumige Prozesse zur Folge. So bewegen sich bspw. riesige Wassermassen unserer Ozeane und die Veränderungen können in Küstengebieten als Gezeiten beobachtet werden (Sumich 1996: 32). Dies ist in vielerlei Hinsicht wichtig, da diese Bereiche also unter ständig wechselndem Einfluss des Wassers stehen, dies spielt auch für den Menschen eine wesentliche Rolle.

2 Gravitation

2a Grundlagen

Die Gravitation ist eine bestimmende Kraft im Universum. Sie besteht grundsätzlich aus zwei Punktmassen, die im Folgenden durch die Planeten repräsentiert und durch das Newton’sche Gravitationsgesetz (17 Jhdt.) beschrieben werden:

F= (m1 x m2 / r^2) x G

m1 = Masse Objekt 1

m2 = Masse Objekt 2

r = Abstand zwischen den Mittelpunkten der Objekte

G = Gravitationskonstante 6,67 x 10^-11Nm²/ kg²

Dementsprechend haben Körper mit größeren Massen eine höhere Gravitationskraft, die Wirkung wird allerdings geringer, je weiter zwei Objekte voneinander entfernt sind (Dunkhase & Kersten 2006: 2, Thurman 1994: 252).

2b Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne

Die Schwerkraft bestimmt also die Beziehungen zwischen jeglichen Objekten, folglich auch die zwischen Erde, Mond und Sonne. Durch die in Kapitel 2.a dargestellte Formel wird deutlich, dass Distanz und Masse von Körpern eine essentielle Rolle bei der Bestimmung ihrer Wirkungskräfte spielen.

Abb. 2: Relationship between masses of Earth, Moon and Sun and their distances (NOAA 2020 g) / Beziehung zwischen den Massen von Erde, Mond und Sonne und deren Distanzen

Der Mond befindet sich knapp 384,835 km von der Erde entfernt. Die Distanz von der Sonne bis zur Erde beträgt rund 148,785,000 km. Außerdem besitzt diese 27 Million Mal mehr Masse als der Mond, ist zudem allerdings auch 390 Mal so weit entfernt. Folglich besitzt die Sonne einen Anteil von knapp 45% der Kräfte des Mondes, welche auf die Erde wirken (NOAA 2020 f, Thurman 1994: 252).

3 Gezeiten

3a Grundlagen

Der Begriff der „Gezeiten“ muss zunächst näher definiert werden. Gäbe es keine Ozeane, so würden bspw. dennoch die Gezeiten der „festen Erde“ existieren (Baur 2002: 2). Im Folgenden werden die Ozeangezeiten, also die natürlichen Zyklen der relativen Verlagerungen von Wassermassen auf unserem Planeten, im Fokus stehen. Sie entstehen als Resultat der Anziehungskräfte von Sonne und Mond (NOAA 2020 e).

Gezeiten sind sehr langperiodische Wellen, sie haben ihren Ausgangspunkt in den Ozeanen und erscheinen uns als Abfall und Anstieg des Meeres, bzw. als Ebbe und Flut an den Küstengebieten. Die Höhenunterschiede werden dabei als Tidenhub definiert, die Bezeichnung „Gezeitenstrom“ beschreibt das Auf- und Absteigen des Wassers. Die stärksten Strömungsverhältnisse treten jeweils vor Ebbe und Flut auf, im offenen Ozean sind sie deutlich schwächer als in den küstennahen Bereichen (NOAA 2020 f).

3b Lunare Gezeiten

Ein Mondtag dauert, im Gegensatz zu der uns bekannten Definition eines Sonnentages von 24 h, 50 Minuten länger an. Denn er dreht sich in dieselbe Richtung um die Erde, wie diese sich um ihre eigene Achse dreht. So benötigt es also etwas mehr Zeit, bis der Mond über die gleiche Stelle der Erde rotiert ist (Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256).

Abb. 3: Gravity and inertia act in opposition on the Earth’s oceans (NOAA 2020 a) / Gravitation und Trägheit wirken gegensätzlich auf die Ozeane der Erde

Die physikalische Trägheit bzw. Zentrifugalkraft der Erde versucht grundsätzlich das Wasser auf der Stelle zu halten. Auf der dem Mond zugewandten Seite wirkt die Gravitationskraft des Mondes allerdings stärker, weshalb dies in einer Schwellung des Wassers in Richtung des Himmelskörpers resultiert. Trotz geringerer Anziehungskraft auf der dem Mond abgewandten Seite, verursacht durch eine vergrößerte Distanz, bildet sich auch dort ein Flutberg, da hier die Zentrifugalkraft dominiert (Dunkhase & Kersten 2006: 3).

3c Solare Gezeiten

Der Mond nimmt aufgrund der weitaus geringeren Distanz zur Erde eine übergeordnete Rolle ein, dennoch ist der Einfluss der Sonne nicht zu vernachlässigen. Die durch die Gravitationskräfte der Sonne verursachten Gezeiten werden allerdings nicht als separater Satz betrachtet, sondern vielmehr als eine Variation der lunaren Gezeiten (Thurman 1996: 252).

3d Lunisolare Gezeiten

Letztendlich wirken die Gravitationskräfte von Mond und Sonne gemeinsam und lassen so die für uns beobachtbaren, „lunisolaren“ Gezeiten entstehen. Durch die Rotation der Erde bewegt diese sich quasi unter dem Gezeitensystem hinweg (Dunkhase & Kersten 2006: 5) Essentiell sind dabei die periodischen Abläufe und zeitliche Variationen des Geschehens. Grundsätzlich kann zwischen drei verschiedenen Zyklen unterschieden werden:

Abb. 4: Tidal cycles (NOAA 2020 c) / Gezeitenzyklen

Semi-diurnale (halbtägige) Gezeitenzyklen kennzeichnen sich durch jeweils zwei in etwa gleich hohe Ebben und Fluten. Treten gemischte (semi-diurnale) Gezeiten auf, so treten pro Tag auch jeweils zwei Ebben und Fluten auf, allerdings fällt deren Höhe dann differenzierter aus (Sumich 1996: 34). Die Periodendauer, also der Abstand zwischen jeweils zwei Ebben oder zwei Fluten, beträgt dabei 12 h und 25 min. Von einer Flut bis zur Ebbe dauert es also 6 h und 12,5 min (Dunkhase & Kersten 2006: 4). Diese Abfolgen sind weltweit am meisten verbreitet, wie in der Abbildung 3 zu erkennen. Dagegen erfahren Orte mit diurnalen, also ganztägigen Gezeiten Ebbe und Flut nur ein Mal pro Tag (NOAA 2018, Sumich 1996: 34), es dauert also 24 h bis der Hoch- oder Tiefpunkt des Wassers wieder erreicht ist (Thurman 1994: 263-264).

3e Zeitliche Varianzen

Da die Planeten sich nicht in Kreisen, sondern in Ellipsenbahnen bewegen und sich die relative Position bzw. Deklination zur Erde somit im Jahresverlauf ändert, unterscheiden sich die Distanzen zur Erde und somit auch die wirkenden Gravitationskräfte. Dies gilt sowohl für den Mond als auch für die Sonne, sodass Gezeiten differenziert auftreten. Spring- und Nipptiden sind Phänomene die jeweils zwei Mal pro Mondphase auftreten. Springtiden beschreiben die Resultate der Konstellation von Erde, Sonne und Mond in einer geraden Linie, wenn Voll- und Neumond auftreten. Die Kräfte addieren sich und resultieren in überdurchschnittlich hohen Fluten und unterdurchschnittlich niedrigen Ebben. Wenn die drei Himmelskörper in einem rechten Winkel zueinanderstehen und ein Halbmond erscheint, entstehen Nipptiden. Dabei hebt die Sonne die Kraft des Mondes in geringem Maße auf, sodass Fluten etwas niedriger und Ebben höher als im Durchschnitt ausfallen (NOAA 2020 d, Sumich 1996: 33, Thurman 1994: 256-257). Primär ist also die Sonne für die periodischen Schwankungen verantwortlich (Bundschuh et al. 1974: 120).

Abb. 6: Spring Tides and Neap Tides (NOAA 2020 b) / Springtiden und Nipptiden

Der elliptische Pfad des Mondes um die Erde weist eine Variation des Abstandes von knapp 50.000 km auf. Das Perigäum beschreibt den Zeitpunkt im Monat, an dem der Mond der Erde am nächsten ist, wodurch die Gravitationskräfte wie auch die Gezeiten höher ausfallen als im Normalfall. Dem entgegengesetzt besteht zum Apogäum die größte Distanz, die Tidenwechsel bleiben geringer (Thurman 1994: 258).

Ähnliches gilt folglich auch für die Distanz zur Sonne, abhängig von der aktuellen Position der Erde auf ihrer Umlaufbahn um die Sonne. Um den 2. Januar herum, zur Zeit des Perihel, ist der Planet dieser am nächsten, die Beeinflussung ist am stärksten. Mit dem Aphel Anfang Juli ist die Kraft dann am geringsten, da sich der Abstand der zwei Körper maximiert (Thurman 1994: 257).

Abb. 7: The elleptical orbits oof the moon around the earth and and the earth around the sun have a substantial effect on the Earth’s tides (NOAA 2020 b) / Die elliptischen Bahnen des Mondes um die Erde und der Erde um die Sonne haben einen wesentlichen Einfluss auf die Gezeiten der Erde

Das Video „How Tides are formed“ im folgenden Link fasst die bisher aufgeführten Informationen weitestgehend zusammen: https://www.youtube.com/watch?v=GPVomM6DBAA

4 Ermittlung und Nutzung der Gezeiten

Wir können die Gezeiten aufgrund ihrer stetigen Periodizität vorhersagen. Um die Genauigkeit solcher Prognosen untersuchen zu können, werden Messungen, bspw. durch Satelliten, durchgeführt. So ermittelt der am 17 Januar 2016 gestartete Jason-3 Satellit unter anderem die ozeanische Topographie und lässt so Analysen bezüglich der Gezeiten zu. Er ist Teil des Copernicus-Programm und wird durch die internationale Zusammenarbeit von EUMETSAT; CNES, NOAA, NASA und der Europäischen Union gefördert (EUMETSAT 2020, NASA 2020). Als Folgeprojekt der Missionen TOPEX/Poseidon, Jason-1 und OSTM/Jason-2 trägt der Jason-3 Satellit neben der Beobachtung der Gezeiten auch dazu bei, die allgemeinen Erkenntnisse der physikalischen Ozeanographie in den Bereichen der Meeresspiegel-untersuchungen, Meeresmeteorologie, Geophysik und Geodäsie zu erweitern. Seine Mindestlaufzeit ist zunächst auf fünf Jahre begrenzt, welche bei erfolgreicher Anwendung aber auch noch verlängert werden kann. Jason-3 hat ein Wiederholungsintervall von 9,9 Tagen, was bedeutet, dass es diese Periode braucht, bis der Satellit die gleiche Stelle auf der Erde erneut observiert. Dabei beträgt die Genauigkeit der Meeresoberflächenmessung mindestens 3,4 cm, im Idealfall ist sie aber noch genauer. So werden statistische Analysen, Klima- und Ozeanzirkulationsmodelle sowie Schiffsführung und die maritime Industrie unterstützt. Auch Umweltgefahren können aus den gesammelten Informationen ermittelt werden (CNES et al. 2018: 1-10).

Abb. 8: Altimetric distances – Altitude, Range and Height (CNES et al. 2018:5) /Altimetrische Entfernungen – Tatsächliche Höhe, Reichweite, Höhe

Ebenfalls werden weniger komplexe, lokale Systemmessungen und Analysen durchgeführt, so zum Beispiel an der Serinhaém-Flussmündung in Brasilien. Hier wird der Einfluss der Gezeiten auf Eben und Fluten im Fluss experimentell gemessen und mit bereits existierenden, allgemeinen Modellen verglichen. Dazu wurde das System TidalDuino entwickelt, welches als langfristiger Datenlogger fungiert (Cano et al. 2019: 490). Es wurden nur geringe Differenzen zu den theoretischen Voraussagen, sowie ein maximaler Verstärkungseffekt der Gezeiten von 1,33 in der Neumondphase, beobachtet (Cano et al. 2019: 494). Denn dies ist der Zeitpunkt, zu welchem sich Gravitationskräfte von Mond und Sonne addieren (vrgl. Kapitel 3.d). Aufgrund dieses Forschungsprojektes und der Abweichung von nur knapp 3% wird deutlich, dass Berechnungen und Modelle den wahren Werten der ozeanischen Gezeiten und deren Veränderungen sehr nahe liegen (Cano et al. 2019: 494). Solche Vorhersagen sind in vielerlei Hinsicht nützlich, sei es für Fischer, welche so ertragsreichere Fänge prognostizieren können, oder für Schwimmer und Surfer, welche so die Höhe der Wellen und Stärke der Strömungen besser einschätzen können.

Über den folgenden Link gelangen Sie zu einer Visualisierung der barotropischen globalen Ozeangezeiten, welche durch gesammelte Daten der zuvor genannten Satelliten angefertig werden konnte. Gezeitenniveaus und dessen Änderungen können so besser nachvollzogen werden: https://svs.gsfc.nasa.gov/4821

Wie auch andere natürliche Energiequellen gelten die Gezeiten als unerschöpfliche Ressourcen (Bundschuh et al. 1974: 120). Gezeitenkraftwerke nutzen die regenerative Energie der wechselnden Wasserspiegel. Dabei wird eine Bucht an der Küste durch einen Damm mit integrierten Wasserturbinen getrennt, welche dann die kinetische Energie des Wassers in Elektrizität umwandeln und verfügbar machen können. Ein Tidenhub von mindestens 5 m ist dafür erforderlich (Dunkhase & Kersten 2006: 10).

Problematisch ist vor allem die Unreife der Forschung in diesem Bereich. Denn weltweit wurden nur wenige Projekte zur Wellen- und Gezeitenenergie durchgeführt, bisher hat Europa diesbezüglich die größten Fortschritte gemacht und verschiedene Prototypen getestet. Außerdem spiegeln die hohen Kosten trotz eingeschränkter Nutzbarkeit im Jahresverlauf, fehlende Sicherheit gekoppelt an wenig Vertrauen potentieller Investoren, sowie viele weitere Herausforderungen die Komplexität des Ganzen wider (Rusu & Venugopal 2019: 1). Kritisch ist auch, dass nur ein geringer Teil der potentiell vorhandenen Energie genutzt werden kann (Bundschuh et al. 1974: 121). Trotzdem wird weiterhin am Wachstum des Sektors gearbeitet (Rusu & Venugopal 2019:1-3). Denn wenn wir herausfinden können wie die Gezeiten effektiv zu nutzen sind, so wäre es in Zukunft möglich zumindest einen Teil unseres Energiebedarfs durch diese saubere Energie zu decken.

Bisher verfügen nur einige wenige geeignete Standorte weltweit über Gezeitenkraftwerke, es folgt eine Auflistung der fünf größten Einrichtungen inklusive der maximal geförderten Energiemengen in Megawatt:

Sihwa Lake Tidal Power Station, South Korea – 254 MW
La Rance Tidal Power Plant, France – 240 MW
Swansea Bay Tidal Lagoon, UK – 240 MW
MeyGen Tidal Energy Project, Scotland – 86 MW
Annapolis Royal Generating Station, Canada – 20MW (PowerTechnology 2020, U.S. Energy Information Administration 2020)

5 Fazit

Die Gravitation zwischen Erde, Mond und Sonne kennzeichnet sich also durch eine besondere Wirkung auf irdische Prozesse. Ohne das Zusammenspiel der planetaren Massen und ihrer Kräfte, wäre das Leben, wie es heute auf der Erde existiert, nicht möglich. Die Wirkung der Gravitationskräfte ist durch die Parameter Masse und Distanz zur Erde, sowie die bekannte zeitliche Variation der letzteren und daraus resultierende Gezeitenänderungen, vorherzusagen. Dies ist primär für Küstengebiete interessant, macht es der Menschheit aber auch möglich, diese regenerative Energiequelle in Form von umgewandelter Elektrizität durch Gezeitenkraftwerke zu nutzen.

Quellenverzeichnis

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Bikos, K., Hocken, V., Jones, G. (2021): What causes tides? https://www.timeanddate.com/astronomy/moon/tides.html. In timeanddate.com (Hg.): The Moon 4. The Moon’s Effect on Tides [04.03.21] [04.03.21]

Bundschuh, V., Meliß, M., Oesterwind, D., Voss, A. (1974): Andere Primärenergiequellen https://elib.uni-stuttgart.de/bitstream/11682/8106/1/vos8.pdf [02.02.21]

Cano, M. E., Estrada, J. C., Ferreira, E. S., Leyva-Cruz, J. A., Mena, E. A., Quintero, L. H., Santana, R. G., Paz, J. A. (2019): Determining the gravitational effects on tide height on on an estuary and theoretical comparison. https://doi.org/10.31349/RevMexFis.65.489 [17.02.21]

Dunkhase, F., Kersten J. (2006): Erdmessung ||| – Vortrag. Die Gezeiten https://misc.gis.tu-berlin.de/igg/htdocs-kw/fileadmin/Daten_MCA/EM3/Gezeiten.pdf [17.02.21]

CNES, EUMETSAT, JPL, NOAA/NESDIS (2018): Jason-3 Products Handbook https://www.ospo.noaa.gov/Products/documents/hdbk_j3.pdf [17.02.21]

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Sumich, J. L. (1996): An introduction to the biology of marine life. S. 32-35

The Week (2020): 139 new dwarf planets found in our solar system https://www.theweek.in/news/sci-tech/2020/03/12/139-new-dwarf-planets-found-in-our-solar-system.html [09.01.21]

Thurman, H. V. (1994): Introductory Oceanography. Aufl. 7. S. 252-276

U.S. Energy Information Administration (2020): Hydropower explained. Tidal power https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/tidal-power.php [03.01.21]

Das Polarlicht – ein Beispiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde

Abb. 1: Graphical Abstract zum Thema der Entstehung von Polarlichtern

Gliederung

Einleitung
Das Polarlicht – ein Bespiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde
1. Geschichten über das Polarlicht
2. Die Eigenschaften des Polarlichts
Das Erdmagnetfeld
Sonne, Sonnenwinde, Sonnenstürme
Weitere Auswirkungen anderer Strahlungseinflüsse
Forschungsprojekte
1. Forschungsprojekt 1: Polarlichter und Geräusche
2. Forschungsprojekt 2: Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Erde
Fazit
Literaturverzeichnis

1. Einleitung

Polarlichter oder auch aurora borealis (Nordhemisphäre), aurora australis (Südhemisphäre) (vgl. article aurora) faszinieren die Menschen schon seit Jahrhunderten und ihre Erklärungsversuche gehen weit in die Vergangenheit über verschiedene Ansätze zurück. Um bis zur heutigen physikalischen Erklärung zu gelangen hat es etliche Theorien und Forschungsansätze gebraucht. Heute weiß man, dass das Polarlicht aus Ionen und Elektronen besteht, die zu leuchten beginnen und somit wie ein bunter Nebel an den Polen sichtbar sind. Sie sind dabei das Ergebnis von Sonnenwinden und deren Strahlungsauswirkung auf das Erdmagnetfeld. Was das genau bedeutet, wie ein solcher physikalischer Prozess abläuft und was das für Auswirkungen hat, wird im Folgenden erklärt.

2. Das Polarlicht – ein Beispiel der astronomischen Strahlungseinflüsse auf die Erde

Es gab über die Jahrhunderte verschiedenste Ansätze zur Erklärung des Polarlichts. Alles fing mit Mythen, Sagen und dem angeblichen Beweis göttlicher Existenz an. Viele vage Theorien entstanden im Laufe der Zeit, insbesondere physikalische Ansätze entwickelten sich. Einer dieser Ansätze bestand darin, dass das Polarlicht im Zusammenhang mit Elektrizität stehen könnte – obwohl man zu diesem Zeitpunkt noch gar nicht wusste, was Elektrizität überhaupt war. Ende des 19. Jahrhunderts verstand man jedoch, dass Elektrizität mit der Existenz von Ionen und Elektronen zusammenhängt und ein Strom von Ladungsträgern darstellt. Diese Ladungsträger können Gas zum Leuchten anregen, was ein Meilenstein in der Erklärung des Polarlichts darstellte (Schlegel 2011: 111). Weitere Fortschritte zur Erklärung des Polarlichts lieferte der norwegische Forscher Kristian Birkeland Anfang des 20. Jarhunderts. Er bewies mit einem Experiment, in dem er eine magnetisierte Kugel mit fluoreszierender Farbe beschoss, dass die Pole unter bestimmten Umständen zu leuchten beginnen und elektrisch geladene Teilchen der Grund dafür sind. Lediglich die Annahme Birkelands, dass die Teilchen von der Sonne kämen, wurde später revidiert (Birkeland 1913: 667).

2.1. Geschichten über das Polarlicht

Es gibt sowohl Geschichten von Polarlichtern als auch Polarlichter in der Geschichte. Die Geschichten von Polarlichtern befassen sich in der Regel mit mythischen Sagen und Erklärungen über das tanzende Licht am Himmel (Schlegel 2011: 1 ff.). Zu ihm sind verschiedene Märchen und Deutungen entstanden, die häufig mit der Existenz von Übernatürlichem in Verbindung stehen. Dabei kann das Übernatürliche sowohl ein Vorbote für Positives als auch Negatives sein – je nach Mythos.

In der Geschichte der Polarlichter hingegen geht es um besonders auffällige Polarlichtereignisse oder welche, die in historischen Quellen zu finden sind, wie in der Bibel oder antiken Schriften (Schlegel 2011: 33ff.). Auffällig bei egal welchen Geschichten ist, dass die Polarlichter oft als Feuer im Himmel angesehen werden und teilweise mit dem Erscheinen von Murmel- oder Trommellauten verbunden sind. Die Erklärung des Feuers am Himmel lässt sich leicht mit den verschiedenen Formen und Farben des Polarlichts deuten, das Dasein von Geräuschen wird jedoch bis heute von Naturwissenschaftlichen angezweifelt und in neuen Projekten genauer untersucht.

Abb. 2: https://www.fotocommunity.de/photo/polarlichter-pascal-wieczorek/41721551

2.2. Die Eigenschaften des Polarlichts

Die Formen und Farben von Polarlichtern können variieren. Eine der häufigsten Formen, aus der sich teilweise auch andere ergeben, ist die des ruhigen Bogens, der grünlich am Himmel steht. Dieser Bogen kann sich je nach Strahlungseinfluss in verschiedene Formen und Farben wandeln. Weitere häufige Formen sind spiralähnliche Gebilde oder der so genannte Polarlichtvorhang (Schlegel 2011: 21 ff.). Dabei sind neben der grünlichen Farbe auch noch rote oder violette changierende Farbverläufe möglich. Die extremen Farb- und Formverläufe finden sich dabei in der Regel erst ab dem 60 Breitengrad wieder. Neben dem Stand des Betrachters spielt aber auch die Höhe der sich bewegenden Teilchen eine Rolle. Je nach Höhe verändert sich hierbei die Farbe. Grüne und Violette Farbtöne finden sich überwiegend in einer Höhe von 100-250 km über NN – rote Farbtöne liegen bei weitem höher in etwa 150-400 km Höhe (Schlegel 2011: 138ff.)

3. Das Erdmagnetfeld

Das Erdmagnetfeld umgibt die Erde ähnlich wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist – in der Forschung spricht man wegen der zwei Pole von einem Dipolfeld. Wichtig ist dabei, dass es sich bei der weiteren Nutzung des Begriffs „Pol“ nicht um die beiden geographischen Pole (Nord- und Südpol) handelt, sondern um die erdmagnetischen Pole (Liebenstein 2016: 336). Innerhalb dieses großen Magnetfeldes gibt es auch noch ein schwächeres, das durch Ströme der Ionons- und Magnetosphäre ausgelöst wird und für das Polarlicht verantwortlich ist (Schlegel 2011: 104f.). Die Existenz der Ionosphäre wurde 1902 durch Arthur Kennelly und Oliver Heaviside nachgewiesen. Es handelt sich in erster Linie dabei um eine in der oberen A tmosphäre liegenden leitenden Schicht und wurde, ohne es zu wissen, als Übertragungsmedium von Nachrichten von den Kontinenten Europa und Nordamerika genutzt. Diese so genannte Kennelly-Heaviside-Layer wurde erst 1947 von Sir Edward Appleton mithilfe von Radiowellen tatsächlich nachgewiesen (Schlegel 2011: 115).

4. Sonne, Sonnenwinde, Sonnenstürme

Die Sonne besitzt ebenso wie die Erde ein Magnetfeld (interplanetares Magnetfeld), was jedoch im Vergleich zu dem der Erde sehr schwach ist. Außerdem herrschen auf der Sonne durch die Kraft der Kernfusion im Inneren verschiedene Winde, die wir als Sonnenwinde bezeichnen. Diese Sonnenwinde verteilen sich durch den Weltraum und treffen somit auch die Erde, welche jedoch durch das Erdmagnetfeld stark vor den Sonnenwinden geschützt ist. Durch den Effekt, wie es bei einem Stabmagneten der Fall ist (Lorentzkraft), werden die Sonnenwinde in Richtung der Pole abgewandt. Dabei ist es möglich, dass über die Feldlinienverschmelzung Elektronen aus dem Sonnenwind in die Magnetosphäre der Erde eindringen.

Innerhalb dieses Magnetfelds bilden diese Elektronen dann mit den vorhandenen Ionen ein Teilchenreservoir. An dem Punkt, wo es zu der Feldlinienverschmelzung kommt, treten daher besonders häufig Polarlichter auf. Man muss sich das ganze wie eine Art Dynamo vorstellen, weil durch das Eintreten der Elektronen in die Magnetosphäre die Teilchen beschleunigt werden und durch die Hitze beginne zu leuchten. Deutlich wird dieser beschriebene Prozess in Abbildung 1 (Schlegel 2011: 155ff.)

Besondere Polarlichtereignisse treten daher dann auf, wenn sich auf der Sonne besondere Ereignisse z.B. Sonnenstürme. Sonnenstürme sind explosionsartige Eruptionen, die Gasblasen in den Weltraum freisetzen. Wir erkennen diese als seltsame Flecken auf der Sonne und bereits im 19. Jahrhundert wurde ein Zusammenhang der Flecken mit dem Polarlicht festgestellt (Schlegel 2011: S. 108). Die Sonnenstürme verursachen beim Auftreffen auf das Erdmagnetfeld so starke Verformung des Erdmagnetfeldes, dass es sogar möglich wird, Polarlichter in unseren geographischen Breiten (z.B. in Mitteleuropa) zu beobachten. Das letzte Polarlicht, dass wir hier in Deutschland mit dem bloßen Auge sehen konnten, ereignete sich in der Nacht vom 3. auf den 04. August 2010 (Schlegel 2011: 164 ff.).

5. Weitere Auswirkungen anderer Strahlungseinflüsse

Auch andere Teilchen und Strahlungen gehen von der Sonne aus, nicht nur die Sonnenwinde. Diese Strahlungen nennt man: Wärmestrahlung, Licht, Ultraviolettstrahlen und Röntgenstrahlen (siehe Abb. 2). Unser irdisches Wetter wird dabei insbesondere von der Wärmestrahlung und dem sichtbaren Licht beeinflusst, die durch die Absorption in der Troposphäre Temperatur- und Druckunterschiede entstehen lassen. Man könnte also sagen, ohne Strahlungseinflüsse hätten wir hier unten auf der Erde große Schwierigkeiten zu überleben (Völkle 2011: 77).

Das Polarlicht bildet jedoch nicht den einzigen nachweislichen Weltraumwettereffekt, den wir kennen. Unsere Erde umgibt z.B. ein Stromsystem in der Magnetosphäre, den polaren Elektrojet. Dieser ist u.a. die Primärspule für unseren Wechselstrom dar. Damit kann das Weltraumwetter einen enormen Einfluss auf unsere Elektrogeräte auslösen und diese theoretisch sogar unbrauchbar machen (siehe Abb. 3). Ein Beispiel dafür ist der Sonnensturm im März 1989, der das komplette Stromnetz der Province Quebec in Kanada unterbrach (Schlegel 2000: 222-226).

Neben Einflüssen der Sonne auf das Weltraumwetter, gibt es jedoch auch noch viele weitere wie den Einfluss der UV-, Röntgen- und Gammastrahlung der Milchstraße auf unser Leben auf der Erde. Auch von der Milchstraße gehen diese Wellen aus und bedingen damit ebenfalls das Erdmagnetfeld (Schlegel 2011: 184). Leider kann man all diese Ereignisse des Weltraumwetters bisher noch nicht zuverlässig vorhersagen, auch wenn in den letzten Jahren enorme Fortschritte erreicht wurden.

6. Forschungsprojekte

6.1. Forschungsprojekt 1: Polarlichter und Geräusche

Immer wieder berichten Augenzeugen von Geräuschen während des Betrachtens der Polarlichter. Diese reichen von einem Knall über Trommelwirbel bis hin zu einem Rauschen. Bisher wurde davon ausgegangen, dass es sich bei den Geräuschen um Täuschungen handelt, jetzt wurden und werden diese jedoch genauer untersucht (Lenz 2013).

Mittlerweile gehen Forscher davon aus, dass es für das Wahrnehmen der Geräusche verschiedene Voraussetzungen wie die Intensität des Sonnenwindes und der aktuellen Wetterlage bedarf. So wie der bisherige Stand der Forschung ist, sieht es so aus, als würde kurz vor dem Auftreten der Geräusche eine Art elektrische Entladung, mit einem Gewitter vergleichbar, auftreten (Meyer 2020).

6.2. Forschungsprojekt 2: Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Erde

Mittlerweile ist bekannt, dass Sonnenstürme insbesondere unsere Elektronik stark beeinflussen können. Ein Beispiel dafür wurde bereits erwähnt, der Stromausfall 1989 in Kanada. Ziel der heutigen Forschung ist es herauszufinden, wie man solche enormen Wetterereignisse im Weltraum vorhersagen kann, um uns bestmöglich dagegen zu schützen – soweit dies überhaupt möglich ist. Was wir bisher über die Sonnenstürme wissen ist nicht viel: Sie lösen in erster Linie keine drastischen Gesundheitsschäden aus, unsere Telekommunikation und Elektronik wird stark beeinflusst und alle 100 bis 200 Jahre tritt ein besonders starker Sonnensturm auf. Grund dafür ist stets eine große Eruption auf der Sonne, die den sonst normalen Sonnenwind in einen Sturm verwandelt (mdr 2019).

7. Fazit

Festzuhalten bleibt, dass die Strahlung innerhalb des Weltraums, insbesondere ausgehend von der Sonne, einen großen Einfluss auf unser Leben nimmt. Zum Glück können wir sagen, dass wir durch verschiedene physikalische Mechanismen der Atmosphäre gut gegen diese Einflüsse geschützt sind, da ein Leben auf der Erde sonst nicht möglich wäre. Ein für den Menschen mit bloßen Augen sichtbares physikalisches Ereignis ist das Polarlicht. Dieses hängt mit verschiedenen physikalischen Einflüssen im Weltraumgeschehen zusammen und veranschaulicht diesen Prozesse daher sehr gut, weshalb ich meinen Fokus der Arbeit daraufgelegt habe.

8. Literaturverzeichnis

Birkeland, K.: The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902– 1903, Volume 1, Section 2, 667, Christiania, 1913.
Schlegel, Birgit; Schlegel, Kristian (2011): Polarlichter zwischen Wunder und Wirklichkeit. Kulturgeschichte und Physik einer Himmelserscheinung. Heidelberg.
Schlegel, K.: Wenn die Sonne verrückt spielt. Physik in unserer Zeit, 5, 222–226, 2000. von Liebenstein, Reinhard (2016): Das magnetische Feld. In: Plaßmann, W.; Schulz, D: Handbuch Elektrotechnik. Wiesbaden.
Völkle, H. (2011): Die kosmische Strahlung. In: Bulletin der Naturforschenden Gesellschaft Freiburg. Band 100. S. 75-109.

Augsburger Allgemeine (2014): Was ist ein Sonnensturm – wie gefährlich ist er?: https://www.augsburger-allgemeine.de/wissenschaft/Was-ist-ein-Sonnensturm-wiegefaehrlich-ist-er-id31309822.html.
Barwanietz, U. (2017): Das Geräusch der Polarlichter: https://www.swr.de/swr2/wissen/article-swr-12454.html.
Encyclopedia of the Antartic, Artikel Aurora (engl.): http:// cw.routledge.com/ref/antarctic/aurora.html.
Fotocommunity Polarlichtbild: https://www.fotocommunity.de/photo/polarlichter-pascal-wieczorek/41721551.
Gerber, O. (2016): Lassen sich Nordlichter hören?: https://www.weltderphysik.de/thema/hinter-den-dingen/lassen-sich-nordlichterhoeren/.
Lenz, D. (2013): Polarlichter verursachen Geräusche: https://www.forschung-undwissen.de/nachrichten/astronomie/polarlichter-verursachen-geraeusche-13371862.
Mdr (2019): Mega-Sonnenstürme – Die Gefahr aus dem Weltall: https://www.mdr.de/wissen/faszination-technik/mega-sonnenstuerme-und-ihrefolgen-100.html.
Meyer, G. (2020): So entstehen die Klänge des Nordlichts: https://www.welt.de/wissenschaft/article178259152/Polarlichter-Warum-erzeugensie-manchmal-Klaenge.html.
Simpleclub (2014): Die Lorentzkraft & Die Linke-Hand-Regel: https://www.youtube.com/watch?v=snM3g4zWeNw.
Simpleclub (2014): Polarlichter/Nordlichter – Wie entstehen sie?: https://www.youtube.com/watch?v=G6jhwaYvGwo.
Terra X (2020): Wie Polarlichter entstehen: https://www.youtube.com/watch?v=gixNSiqdyVU.
Wilde, A. (2016): Die Gefahr durch Sonnenstürme für unsere Technik: tagesspiegel.de/wissen/weltraumwetter-die-gefahr-durch-sonnenstuerme-fuerunsere-technik/13955920.html.
Zgrzendek, D. (2020): Können Polarlichter gefährlich werden?: https://sonnensturm.info/koennen-polarlichter-gefaehrlich-werden-6142.