Geomagnetische Variationen

Das Magnetfeld der Erde ist nicht statisch, sondern verändert sich ständig. Störungen im geomagnetischen Feld auf Zeitskalen von Minuten bis Tagen sind vor allem äußeren Ursprungs, d.h. in den elektrischen Strömen der Ionosphäre (einige hundert Kilometer über dem Erdboden) und in der Magnetosphäre (mehrere Erdradien von der Oberfläche entfernt) zu suchen. Untersuchungen der geomagnetischen Störungen sind daher wichtig für das Verständnis der physikalischen Prozesse in der oberen Erdatmosphäre und im erdnahen Weltraum. Dies wiederum ist für die Vorhersage von Weltraumwetter und Klima essenziell. Die Arbeitsgruppe "Geomagnetische Variationen" befasst sich hauptsächlich mit ionosphärischen Strömen und ihren Antriebsmechanismen. Die folgenden Absätze beschreiben einige Merkmale geomagnetischer Variationen, sowie der damit verbundenen ionosphärischen Ströme.

Abbildung 1 zeigt Beispiele für geomagnetische Messungen in St. Helena (16.0˚S, 5.7˚W), Guam (13.6˚N, 144.9˚E) und Apia (13.8˚S, 171.8˚W) im Januar 2019. Hier dargestellt sind "Störungen" des geomagnetischen Feldes, definiert als die Abweichung des geomagnetischen Feldes von seinem Monatsmittelwert. Die roten und blauen Linien zeigen die nord- bzw. ostwärts gerichtete Komponente des geomagnetischen Feldes an. Regelmäßige tägliche Schwankungen in der Größenordnung von einigen zehn Nanoteslas sind in den Daten zu sehen. Diese täglichen Schwankungen werden als "Sq" für "solar-quiet" bezeichnet. Sq Quellströme fließen in der Ionosphäre, da dort die Atmosphäre aufgrund der Existenz von freien Elektronen und Ionen elektrisch leitfähig ist.

Abbildung 2 zeigt das aus einer Simulation abgeleitete elektrische Stromsystem in der Ionosphäre. Hier werden die ionosphärischen Ströme von 30˚W aus betrachtet. Jede Abbildung zeigt das ionosphärische Stromsystem zu einer bestimmten Tageszeit (UT). Die lokale Sonnenzeit (LST) ist hier ebenfalls angegeben. Es gibt ein globales Stromsystem über mittlere und niedrige Breitengrade, das auf die Tagseite beschränkt ist. Dieses Stromsystem ist verantwortlich für Sq-Variationen (vgl. Abbildung 1) und wird oft als Sq-Stromsystem bezeichnet. Das Sq-Stromsystem hat einen Wirbel gegen den Uhrzeigersinn in der nördlichen Hemisphäre und einen Wirbel im Uhrzeigersinn in der südlichen Hemisphäre. In der Polarregion gibt es ein weiteres Stromsystem, das als DP2-Stromsystem bezeichnet wird. Das DP2-Stromsystem hat ebenfalls zwei Stromwirbel; einer befindet sich im Bereich der Abenddämmerung und der andere in der Morgendämmerung. Im Gegensatz zum Sq-Stromsystem ist das DP2-Stromsystem sowohl bei Tag als auch bei Nacht sichtbar. Obwohl Abbildung 2 nur das DP2-Stromsystem in der nördlichen Hemisphäre zeigt, gibt es ein Gegenstück auf der südlichen Hemisphäre über der antarktischen Region.

Die Stromsysteme in der Ionosphäre variieren von Tag zu Tag unter dem Einfluss äußerer Kräfte. Abbildung 3 macht deutlich, wie die Stromsysteme Sq und DP2 auf einen "geomagnetischen Sturm" reagieren. Ein geomagnetischer Sturm ist eine große Störung der Erdmagnetosphäre, die durch den verstärkten Energieeintrag eines Sonnenwindes verursacht wird. In Abbildung 3 zeigt das ionosphärische Stromsystem für den 3. und 9. April 2010 ein typisches Muster ruhiger Tage, die vor bzw. nach einem Sturm liegen. Während der Hauptphase und der Erholungsphase des Sturms (5. und 7. April 2010) ist die Intensität der DP2-Ströme deutlich erhöht. Da die DP2-Ströme in die mittleren und niedrigen Breiten entweichen, ist die Unterscheidung zwischen DP2 und Sq auf der Tagseite nicht mehr offensichtlich.

Die unteren Felder von Abbildung 3 zeigen Störungen im geomagnetischen Feld der Nordkomponente, die mit ionosphärischen Strömungen zusammenhängen. Die schwarzen Linien beschreiben die Lage des "magnetischen Äquators", an dem die vertikale Komponente des geomagnetischen Feldes verschwindet. Man kann feststellen, dass die Amplituden der geomagnetischen Störungen in der Nähe des magnetischen Äquators sowohl in ruhigen als auch in stürmischen Zeiten verstärkt werden. Dies ist auf eine starke zonale Strömung entlang des magnetischen Äquators am Tage zurückzuführen, die als "äquatorialer Elektrojet" oder "EEJ" bekannt ist. Der EEJ wird durch ein vertikales elektrisches Feld angetrieben, das seine Existenz der besonderen Geometrie des geomagnetischen Feldes über dem geomagnetichen Äquator verdankt, d.h. das geomagnetische Feld ist dort vollständig horizontal. Somit ist der EEJ nur in der Nähe des Magnetäquators zu beobachten.

Die Sq-EEJ-Strömungen unterliegen auch ohne geomagnetischen Sturm täglichen Veränderungen. So ist beispielsweise in Abbildung 3 (unterer Teil) die Stärke der magnetischen Störungen über dem tageszeitlichen magnetischen Äquator aufgrund des EEJ zwischen dem 3. und 9. April 2010 unterschiedlich, obwohl die Magnetosphäre zu diesen Zeiten vergleichsweise ruhig war. Der Unterschied in der EEJ-Intensität ist weitgehend auf neutrale Winde zurückzuführen. Das Wetter in der oberen Atmosphäre der Erde ist sehr variabel, da es durch verschiedene Arten von atmosphärischen Wellen aus der unteren Atmosphäre angeregt wird. Ein Beispiel für solche Wellen sind Flutwellen der Atmosphäre, die durch die Gravitationskraft des Mondes erzeugt werden. Die Analyse der Daten des geomagnetischen Feldes kann den Einfluss der Mondflut auf die Sq-EEJ-Strömungen aufzeigen, wie in Abbildung 4 dargestellt wird.


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