Bei einem Sonnensturm schleudert unser Stern energiereiches Plasma und harte Strahlung weit ins All hinaus. Erreichen diese Strahlungsschübe und geladenen Teilchenwolken die Erde, ist ein geomagnetischer Sturm die Folge: Die energiereichen Teilchen dringen in die obere Erdatmosphäre ein, verursachen Polarlichter selbst in gemäßigten Breiten, können jedoch auch schwerwiegendere Folgen haben.
Rätsel um die Ringstrom-Teilchen
Normalerweise wird ein Großteil der von der Sonne kommenden Teilchen vom Erdmagnetfeld abgefangen und umgelenkt. Die energiereichen Ionen sammeln sich dann im sogenannten Ringstrom, einem tausende Kilometer über dem Äquator liegenden Gürtel aus Elektronen und Ionen. Dabei fliegen die negativ geladenen Elektronen ostwärts, positiv geladene Protonen und schwerere Ionen in Westrichtung um die Erde. Bei starken geomagnetischen Stürmen durchbrechen einige Teilchen diese elektromagnetische Barriere und dringen bis in die Ionosphäre der Erde vor.
Doch wie dieser Ringstrom zusammengesetzt ist und wie viele Teilchen darin von starken Sonnenstürmen stammen, war bislang strittig. Einem Team um Naritoshi Kitamura von der Universität Nagoya ist es nun gelungen, diese Frage zu klären – durch einen glücklichen Zufall. Denn der japanische Arase-Satellit war genau dann im Ringstrom der Erde unterwegs, als am 10. und 11. Mai 2024 einer der stärksten bisher gemessenen Sonnenstürme die Erde traf. Er konnte dadurch mitverfolgen, welche Teilchen woher kamen.
Der Ringstrom besteht aus geladenen Teilchen, die die Erde hoch über dem Erdäquator umkreisen. — © ERG Science Team
85 Prozent der Ionen kommen von der Erde
„Dies ist die erste simultane Beobachtung von Ringstrom-Ionen und dem Sonnenwind während eines so starken geomagnetischen Sturms“, erklärt Kitamura. Die Daten des Arase-Satelliten bestätigten die enorme Wucht und Energie dieses Super-Sonnensturms: „Kurz vor dem Höhepunkt des Sturms detektierte Arase eine 40-prozentige Abschwächung der magnetischen Feldintensität in 16.000 Kilometer Höhe“, berichtet der Forscher. Dies zeige, wie sehr der normalerweise stabile Magnetkäfig der Erde durch den geomagnetischen Sturm beeinträchtigt wurde.
Überraschend war jedoch das Ergebnis der Teilchenmessungen: Der Sonnensturm brachte weit weniger Teilchen in den Ringstrom hinein als erwartet. Stattdessen wurden große Mengen energiereicher Ionen aus der Erdatmosphäre in den Ringstrom hinaufkatapultiert: „Die Daten waren eindeutig: Rund 85 Prozent der Ionen waren Sauerstoff-Ionen aus der Ionosphäre unseres eigenen Planeten“, berichtet Kitamura. Der solare Teilchenstrom trug dagegen nur minimal zur Energiedichte des Ringstroms bei.
Schwere Ionen könnten schwere Folgen erklären
Diese unerwarteten Resultate werfen ein neues Licht auf das, was bei einem Super-Sonnensturm hoch über unseren Köpfen geschieht. Denn anders als gedacht füllt sich der elektromagnetische Ringstrom bei einem solchen geomagnetischen Extremereignis nicht primär mit den leichten Protonen des Sonnenwinds, sondern mit weit schwereren, energiereichen Sauerstoff-Ionen aus der irdischen Ionosphäre. „Das unterstreicht die zentrale Rolle von ionosphärischen Aufstrom-Prozessen, durch die Ionen erzeugt, beschleunigt und in die Höhe katapultiert werden“, schreiben die Forscher.
Dieser Aufstrom von schweren Ionen könnte auch erklären, warum dieser und andere „Super-Sonnenstürme“ das Erdmagnetfeld so stark schwächen und den gesamten Ringstrom näher an die Erde schieben: Die Anreicherung des Ringstroms mit schweren, energiereichen Ionen aus der Erdatmosphäre verstärkte die magnetischen Störeffekte und änderte auch die Teilchenströmungen in diesem hoch über der Erde liegenden Bereich.
Quelle: Naritoshi Kitamura (Nagoya University, Japan) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aee1069
