Magnetische Switchbacks nahe Erdmagnetosphäre: Neue Erkenntnisse zur Weltraumwetterdynamik

Wissenschaftler haben in der unmittelbaren Umgebung der Erdmagnetosphäre magnetische Strukturen von zickzackförmiger Gestalt, sogenannte „Switchbacks“, identifiziert. Dieses Phänomen war bislang ausschließlich aus der Nähe der Sonne bekannt, wo es unter anderem von der Parker Solar Probe beobachtet wurde. Die erstmalige Detektion dieser komplexen magnetischen Konfigurationen nahe unserem Planeten, die durch die vier unbemannten Sonden der NASA Magnetospheric Multiscale (MMS) Mission aufgedeckt wurde, erfordert eine Neubewertung bestehender Modelle der Weltraumphysik.

Die MMS-Sonde, die seit fast einem Jahrzehnt die Wechselwirkungen zwischen der Erdmagnetosphäre und dem Magnetfeld der Sonne untersucht, lokalisierte die verdrehte Struktur in der Magnetosheath, der turbulenten Schicht direkt jenseits der magnetischen Grenze der Erde. Die Analyse der von den MMS-Sonden gesammelten Daten, die unter der Leitung der Astrophysikerin Emily McDougall von der University of New Hampshire stattfand, deutet darauf hin, dass diese Hybridstrukturen durch die explosive Rekonnexion von Sonnenmagnetfeldlinien entstehen. Diese Linien werden durch den Sonnenwind mit sich geführt und treffen auf entgegengesetzt orientierte irdische Feldlinien, was zu einer energiefreisetzenden Umstrukturierung führt.

Innerhalb des Switchbacks fanden die Sonden energiereiche Elektronen, die offenbar aus dem Erdmagnetfeld stammten, vermischt mit Sonnenplasma, was die hybride Natur des Ereignisses bestätigt. Die MMS-Sonden konnten die Rotation des Feldes, die Geschwindigkeiten der Partikel und die Dynamik im Vergleich zu bestehenden Turbulenz- und Rekonnexionsmodellen präzise vermessen. Die Präsenz dieser energiereichen, verdrehten Strukturen in Erdnähe hat weitreichende Konsequenzen für die Vorhersage des Weltraumwetters.

Sollten solche Switchbacks lokal entstehen können, stuft dies das Potenzial ein, als Zündpunkte für lokalisierte geomagnetische Stürme zu fungieren oder die Intensität von Polarlichtdarbietungen unvorhersehbar zu steigern. Geomagnetische Stürme können erhebliche Auswirkungen auf die hochtechnisierte Infrastruktur haben, wie etwa auf terrestrische Stromnetze und Funkverbindungen, und stellen auch ein Risiko für bemannte Raumfahrtmissionen und Satelliten im Erdorbit dar. Ein Beispiel hierfür war der Absturz von 38 Starlink-Satelliten am 7. Februar 2022, der auf einen vergleichsweise schwachen geomagnetischen Sturm zurückgeführt wurde.

Diese Entdeckung impliziert, dass die Erdmagnetosphäre selbst in der Lage ist, Turbulenzen zu erzeugen oder zu verstärken, was eine Revision der aktuellen Modelle zur Vorhersage von Weltraumwetterereignissen erforderlich macht. Die Forscher, zu denen auch Matthew Argall von der University of New Hampshire gehört, planen weitere Einsätze der MMS-Sonden in dieser Region, um die Entstehungsmechanismen und die auslösenden Energiebedingungen der Switchbacks genauer zu untersuchen. Die Möglichkeit, diese Physik nun nahe der Erde zu studieren, eröffnet ein neues Labor für das Verständnis von Prozessen, die auch in den äußeren Schichten der Sonne ablaufen.

Die Messung eines sogenannten „z-Parameters“, der die Feldrichtungsrotation quantifiziert und hier Werte über 0,5 erreichte, half bei der Klassifizierung der Struktur als Switchback. Die MMS-Mission, die aus vier identischen Satelliten besteht, nutzt ihre Formation, um Rekonnexionsereignisse dreidimensional zu erfassen, was für die Beobachtung dieser schnellen, kleinskaligen Phänomene entscheidend ist. Die Beobachtung dieser solaren Phänomene im irdischen Umfeld trägt somit zur Vereinheitlichung von Beobachtungen im gesamten Sonnensystem bei.