Eine neue Untersuchung im Fachmagazin Nature zeigt, dass die Reaktion unseres Planeten auf extreme Sonnenwinde bislang unterschätzt wurde. Forschende weisen nach, dass eine angenommene Sättigung des Erdmagnetfelds eine statistische Illusion ist. Bei katastrophalen Ereignissen könnte die geomagnetische Belastung folglich doppelt so stark ausfallen wie in klassischen Modellen berechnet.
Schon lange ist bekannt, dass Sonnenstürme empfindliche Infrastrukturen auf der Erde stören können. Je nach Intensität beeinträchtigen sie Stromnetze, Satelliten, Telekommunikation und GPS-Systeme. Dennoch gingen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bisher davon aus, dass die geomagnetische Reaktion der Erde bei extrem starken Sonnenwinden eine Obergrenze erreicht. Ab einem gewissen Schwellenwert sollte der Planet demnach nicht mehr proportional reagieren, wodurch Schäden in einem bestimmten Rahmen gedeckelt schienen. Eine neue Studie im Fachmagazin Nature stellt genau diese vermeintliche Sättigung nun infrage. Womöglich handelt es sich zumindest teilweise um einen statistischen Effekt. Wichtig dabei: Die Studie warnt nicht vor einem konkret bevorstehenden extremen Sonnensturm. Sie bewertet vielmehr neu, wie stark die Erde auf bislang kaum beobachtete Extremereignisse reagieren könnte.
Statistischer Effekt trügt bei Messungen am Lagrange-Punkt L1
Um die Stärke des Sonnenwinds zu bestimmen, nutzen Forschende im Regelfall Satelliten, die am L1 Lagrange-Punkt etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt positioniert sind. Zwischen diesen Messungen und dem Eintreffen des Sonnenplasmas auf der Erde vergeht jedoch wertvolle Zeit, während der sich die Bedingungen auf dem Weg verändern. Außerdem verändern sich die Bedingungen auf dem Weg, und auch der genaue Zeitpunkt des Eintreffens lässt sich nicht perfekt bestimmen. Genau an dieser Schnittstelle entsteht ein bekannter statistischer Effekt: die Regression zum Mittelwert. Vereinfacht gesagt passiert dabei Folgendes: Wird bei L1 ein außergewöhnlich hoher Wert gemessen, liegt der tatsächliche Wert näher an der Erde aufgrund dieser Unsicherheiten im Durchschnitt meist etwas näher am Mittelwert.
Wenn man extreme Messwerte direkt mit der späteren Erdreaktion vergleicht, entsteht fälschlicherweise der Eindruck, dass das Magnetfeld ab einem bestimmten Punkt nicht mehr proportional mitwächst. Um diesen systematischen Bias auszugleichen, entwickelte ein Forschungsteam ein statistisches Fehlermodell und korrigierte damit Messdaten aus 25 Jahren. Danach verschwand die bislang beobachtete Sättigung weitgehend.
Lineare Beziehung bis zu 15 Millivolt pro Meter nachgewiesen
Nach der mathematischen Bereinigung verschwand die vermeintliche Sättigung in den ausgewerteten Beobachtungen fast vollständig. Bis zu einem untersuchten Sonnenwind-Antrieb von etwa 15 Millivolt pro Meter zeigen die korrigierten Daten eine annähernd lineare Beziehung zur geomagnetischen Reaktion der Erde.
Dennoch bleibt ein entscheidender Unsicherheitsfaktor bestehen. Ein historischer Vergleichsmaßstab bleibt das sogenannte Carrington-Ereignis von 1859. Während des Carrington-Ereignisses brachen Telegrafenkommunikationen über die Hälfte der Welt zusammen, und die Polarlichter waren in ganz Nordamerika bis nach Kuba sichtbar. New research, though, suggests the impact might be even worse than scientists had thought.
Konsequenzen für die Modellierung extremer Weltraumwetter-Szenarien
Rechnen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Ergebnisse probeweise weiter, zeichnet sich ein drastisches Szenario ab. Solar storms occur when the solar wind—a continuous stream of charged particles emitted by the sun—interacts with Earth’s magnetosphere. In today’s world, strong solar storms can have wider-ranging effects and can even alter the upper atmosphere.
“Our planet’s magnetic field does a really great job of protecting us against many space weather effects and so they often just show up as glitches or beautiful aurora,” notes Maria Walach, a researcher at Lancaster University who collaborated on the study. “There are however extreme cases, where satellites unexpectedly fall back to Earth, or we lose communication and GPS signals.”
Die Forschenden argumentieren, dass diese Unsicherheit, far from being mere experimental noise, introduces a systematic bias into the analysis of the data. Wenn man eine Messung betrachtet, die extraordinarily high ist, liegt der true value es ist zu repräsentieren on average less extreme.
Repeated thousands of times, this effect creates a situation where the effect will appear insignificant relative to such a large stimulus.
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