Sonnenwinde lösen Ozonabbau in der Mesosphäre aus | Polarjournal
Die Farbexplosionen der Polarlichter ziehen so gut wie jeden in ihren Bann. Häufig in Grüntönen, manchmal auch rot-violett-pink oder bläulich jagen oder tanzen sie bei den richtigen Bedingungen über den Himmel der Polarregionen. Für Polarlichter verantwortlich sind elektrisch geladene Teilchen des Sonnenwinds aus der Magnetosphäre. Wenn diese Elektronen und Protonen in der oberen Erdatmosphäre (Thermosphäre) auf Sauerstoff- und Stickstoffatome treffen, werden diese angeregt und senden Licht aus, von Sauerstoffatomen meist grünes, manchmal rotes Licht und von Stickstoffatomen violettes bis blaues Licht. Foto: Dr. Michael Wenger

Sonnenwinde sind die Ursache für Polarlichter — aber nicht nur. Sie lassen nicht nur das Farbspektakel am Himmel über den Polarregionen tanzen, sondern sind auch noch für einen anderen Effekt verantwortlich, wie japanische Forscher jetzt herausgefunden haben. Laut einer neuen Studie bewirken die elektrisch geladenen Teilchen von der Sonne auch den lokalen Abbau von Ozon in der Mesosphäre, was für den globalen Klimawandel von Bedeutung sein könnte.

Elektronen von der Sonne werden eigentlich von der Magnetosphäre der Erde abgefangen. Bei Wechselwirkungen zwischen den Elektronen und Plasmawellen können die Elektronen jedoch in die obere Erdatmosphäre, die Thermosphäre, gelangen, was als Elektronenniederschlag bezeichnet wird. Dieses Phänomen ist für die Polarlichter verantwortlich. Die aktuelle Studie, die von Professor Yoshizumi Miyoshi von der Universität Nagoya, Japan geleitet und in der Fachzeitschrift Nature’s Scientific Reports veröffentlicht wurde, zeigt, dass der Elektronenniederschlag auch für den lokalen Abbau der Ozonschicht in der Mesosphäre liegt, verantwortlich ist. Die Mesosphäre liegt zwischen der Stratosphäre und der Thermosphäre in 50 bis 80 Kilometer Höhe. Auswirkungen dieses Ozonabbaus auf unser Klima können die Wissenschaftler nicht ausschließen.

Im Weltraum beobachtet der Satellit Arase Choruswellen und energetische Elektronen, während am Boden EISCAT und optische Instrumente pulsierende Polarlichter und Elektronenausscheidungen in der Mesosphäre. Bild: das ERG-Wissenschaftsteam

Die Wissenschaftler vermuten, dass der Ozonabbau in der Mesosphäre während der Polarlichter auftreten. In früheren Studien wurde der Zusammenhang zwischen dem Elektronenniederschlag und Polarlichtern untersucht, doch noch konnte keine hinreichende Erklärung für die Ursache des mesosphärischen Ozonabbaus gefunden werden.
Während eines moderaten geomagnetischen Sturms über Skandinavien im Jahr 2017 beobachten Miyoshi und sein Team «pulsierende Polarlichter» (PsA – pulsating aurorae), eine Art schwaches Polarlicht. Ihre Beobachtungen wurden durch koordinierte Experimente mit dem Europäischen Incoherent Scatter (EISCAT) Radar (in einer Höhe zwischen 60 und 120 km, wo die PsA auftreten), der japanischen Raumsonde Arase und dem All-Sky-Kamera-Netzwerk ermöglicht.

Der Studie zufolge zeigten die Daten von Arase, dass die gefangenen Elektronen in der Erdmagnetosphäre einen großen Energiebereich haben. Sie wiesen auch auf das Vorhandensein von Choruswellen, einer Art elektromagnetischer Plasmawellen, in dieser Region des Weltraums hin. Computersimulationen zeigten dann, dass Arase Plasmawellen beobachtet hatte, die Niederschläge dieser Elektronen in einem breiten Energiebereich verursachten, was mit den EISCAT-Beobachtungen in der Thermosphäre der Erde übereinstimmt. 

Die gemeinnützige internationale Forschungsorganisation EISCAT (European Incoherent Scatter Scientific Association — Europäische Vereinigung für Forschung mit inkohärentem Streuradar) betreibt mehrere Forschungsanlagen, davon eine in Longyearbyen auf Spitzbergen. Die Anlagen sollen Erkenntnisse über Interaktionen zwischen Sonne und Erde gewinnen, welche sich in Störungen der Magnetosphäre und der Ionosphäre ausdrücken. Foto: Dr. Michael Wenger

Die Analyse der EISCAT-Daten zeigte, dass Elektronen in einem weiten Energiebereich, von einigen Kiloelektronenvolt bis Megaelektronenvolt, ausfallen und pulsierende Polarlichter verursachen. Diese Elektronen haben genug Energie, um unsere Atmosphäre bis zu einer Höhe von etwa 60 km zu durchdringen, wo sich das mesosphärische Ozon befindet. Computersimulationen unter Verwendung von EISCAT-Daten haben gezeigt, dass diese Elektronen das lokale Ozon in der Mesosphäre sofort (um mehr als 10 %) abbauen, wenn sie darauf treffen.

«PsAs treten fast täglich auf, sind über große Gebiete verteilt und dauern mehrere Stunden an. Daher könnte der Ozonabbau durch diese Ereignisse beträchtlich sein», erklärt Miyoshi.  Zur größeren Bedeutung dieser Ergebnisse fügt er hinzu: «Dies ist nur eine Fallstudie. Es sind weitere statistische Studien erforderlich, um zu bestätigen, wie viel Ozon in der mittleren Atmosphäre durch Elektronenniederschlag zerstört wird. Schließlich könnten die Auswirkungen dieses Phänomens auf das Klima das moderne Leben beeinflussen.»

Julia Hager, PolarJournal / Originaltext: Nagoya University

Link zur Studie: Y. Miyoshi, K. Hosokawa, S. Kurita, S.-I. Oyama, Y. Ogawa, S. Saito, I. Shinohara, A. Kero, E. Turunen, P. T. Verronen, S. Kasahara, S. Yokota, T. Mitani, T. Takashima, N. Higashio, Y. Kasahara, S. Matsuda, F. Tsuchiya, A. Kumamoto, A. Matsuoka, T. Hori, K. Keika, M. Shoji, M. Teramoto, S. Imajo, C. Jun, S. Nakamura. Penetration of MeV electrons into the mesosphere accompanying pulsating aurorae. Scientific Reports, 2021; 11 (1) DOI: 10.1038/s41598-021-92611-3

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