mini|Künstlerische Darstellung eines geomagnetischen Sturms
Als magnetischen Sturm bezeichnet man eine Störung der Magnetosphäre eines Planeten beziehungsweise speziell der Erde (geomagnetischer Sturm oder Sonnensturm).
Definition und Entstehung eines geomagnetischen Sturms Ein geomagnetischer Sturm wird definiert durch die von ihm verursachten Änderungen des Erdmagnetfeldes. Zur Klassifizierung wird unter anderem der Disturbance storm time Index (Dst-Index) herangezogen, der die global gemittelte Abschwächung des horizontalen Erdmagnetfelds anhand von Messungen einiger weltweit verteilter Messstationen angibt. Dieser Wert wird stündlich ermittelt und steht nahezu in Echtzeit zur Verfügung.Hourly Equatorial Dst Values (Real-time). Dst-Index beim World Data Center für Geomagnetismus, Kyoto, Japan. Online auf wdc.kugi.kyoto-u.ac.jp, abgerufen am 25. Dezember 2016. Es gibt viele Einflüsse auf das Magnetfeld, daher sind Schwankungen der magnetischen Flussdichte um ±20 nT normal. Zum Vergleich: In Mitteleuropa beträgt die horizontale Komponente des normalen Erdmagnetfelds etwa 20 µT.
Die Störung wird ausgelöst von Schockwellenfronten des Sonnenwinds, die durch Sonneneruptionen oder koronale Massenauswürfe (KMA) entstehen und etwa 24 bis 36 Stunden benötigen, um die Erde zu erreichen. Sie dauert etwa 24 bis 48 Stunden an, in Einzelfällen mehrere Tage – in Abhängigkeit von der Störungsursache auf der Sonne. Das Auftreffen der Schockfront, bestehend aus elektrisch geladenen Teilchen, auf die Magnetosphäre führt zu einer Abschwächung des Erdmagnetfelds, das nach etwa zwölf Stunden sein Minimum erreicht.
Ein geomagnetischer Sturm wird typischerweise in drei Phasen unterteilt: Anfangsphase Die Anfangsphase zeichnet sich durch eine Schwächung des Magnetfelds um etwa 20–50 nT innerhalb einiger Dutzend Minuten aus. Nicht jedem Sturmereignis geht eine solche Anfangsphase voraus, und umgekehrt folgt auch nicht jeder derartigen Störung des Magnetfelds ein Magnetsturm.
Sturmphase Die Sturmphase beginnt, wenn die Störung größer als 50 nT wird, wobei es sich um eine willkürlich gezogene Grenze handelt. Im Laufe eines typischen Magnetsturms wächst die Störung weiter an. Die Stärke eines Erdmagnetsturms wird als moderat bezeichnet, wenn die maximale Störung weniger als 100 nT beträgt, als intensiv, wenn die Störung 250 nT nicht überschreitet und ansonsten als Supersturm. Nur selten wird eine maximale Abschwächung von etwa 650 nT überschritten, was etwa drei Prozent des Normalwerts entspricht. Die Phase dauert wenige Stunden und endet, sobald die Stärke der Störung sinkt, also das Erdmagnetfeld wieder beginnt, zu seiner typischen Stärke anzuwachsen.
Erholungsphase Die Erholungsphase endet mit dem Erreichen des Normalwerts und kann zwischen acht Stunden und einer Woche dauern.
Auswirkungen eines geomagnetischen Sturms Geomagnetische Stürme können vielfältige Auswirkungen haben, wobei die bekanntesten das Auftreten von Polarlichtern (Aurora borealis oder Aurora australis) in gemäßigten Zonen wie zum Beispiel Mitteleuropa sind. In elektrischen Stromnetzen können die ausgelösten geomagnetisch induzierten Ströme zu unmittelbaren Schäden an Leistungstransformatoren führen.
mini|500px|Zeitliche Schwankungen des Erdmagnetfelds durch einen magnetischen Sturm am 31. März 2001, gemessen in Ile-Ife, Nigeria. Auf der Abszisse ist die Zeit in Minuten (GMT) aufgetragen, auf den Ordinaten die Magnetfeldstärke in Nanotesla [nT] (Minutenmittel). Die grüne Kurve zeigt den sq-Gang (ohne magnetischen Sturm) in Ile-Ife an.
Zunächst beeinflussen Magnetstürme das Erdmagnetfeld und dieses wiederum die Ausbildung des Van-Allen-Gürtels. Damit sind bei besonders starken Magnetstürmen alle Lebewesen – besonders in den Polregionen – einer erhöhten kosmischen Strahlung ausgesetzt, weil dort das Erdmagnetfeld generell weniger schützt. Da das Wachstum von Bäumen in erhöhter Sonnenaktivität anscheinend schneller verläuft, weisen sie eine elfjährige Periode in ihren Jahresringen auf. Die Gründe hierfür sind noch nicht geklärt.Udo Backhaus, Klaus Lindner: Astronomie Plus. 1. Auflage, Cornelsen Verlag, Berlin 2011, 5. Druck, ISBN 978-3-06-081012-3, S. 83.
Unter anderem durch vorübergehende Änderungen in der Ionosphäre können zeitweilig Funkübertragungen (zum Beispiel Rundfunk oder Mobilfunk) gestört werden. In langgestreckten elektrischen Leitern wie zum Beispiel Überlandleitungen können Ausgleichsströme von teils beachtlicher Stärke fließen, die zum Ausfall der angekoppelten Transformatorstationen führen können.R. Caraballo, L. Sánchez Bettucci, G. Tancredi: Geomagnetically induced currents in the Uruguayan high-voltage power grid. In: Geophysical Journal International. 16. August 2013, online auf gji.oxfordjournals.org (englisch, PDF; 2,3 MB), abgerufen am 25. Dezember 2016. Pipelines sind während magnetischer Stürme einer erhöhten Korrosion ausgesetzt.
Bevor die Schockwellenfront auf die Erde trifft, kann sie schon Schäden an Satelliten verursachen. Das ist neben den direkten Schäden durch Strominduktion wie auf der Erdoberfläche auch noch auf eine andere, indirektere Weise möglich: Die Schockwelle kann zu einer lokalen Aufheizung und damit zu einer Verformung der oberen Erdatmosphäre führen, was zu einem erhöhten Luftwiderstand für Satelliten in niedrigen Orbits (Low Earth Orbit, LEO) führen kann. Bahnänderungen oder erhöhter Treibstoffverbrauch wären dann die Folge. Insgesamt, so schätzte die europäische Weltraumorganisation ESA, entstand in den letzten Jahren allein wegen Ausfällen von Satelliten ein Schaden von mehr als 500 Millionen Dollar. Dieses und die Verzerrungen der Laufzeiten, die beim Durchgang der Signale durch Ionenwolken entstehen, macht GPS-Satelliten besonders anfällig.Seebany Datta-Barua: Ionospheric threats to the integrity of airborne GPS users. Dissertation, Universität Stanford, Dezember 2007, online auf web.stanford.edu (englisch, PDF; 79 MB), abgerufen am 25. Dezember 2016.
Die Auswirkungen eines geomagnetischen Sturms wie des Carrington-Ereignisses im Jahre 1859 wären heute verheerend, denn heute ist die Welt weitaus mehr von einer funktionierenden Telekommunikation und Stromversorgung abhängig als zur damaligen Zeit. 2014 schlugen Forscher ein aus 16 Satelliten bestehendes Weltraumwetter-Frühwarnsystem vor.Humanity 'risks catastrophe from a solar superstorm’. In: The Telegraph. 31. Juli 2014, online auf telegraph.co.uk (englisch), abgerufen am 25. Dezember 2016.Ashley Dale: In: PhysicsWorld-Magazin, 1. August 2014, online auf physicsworld.com (englisch), abgerufen am 25. Dezember 2016. Das US-amerikanische Militär stuft die Auswirkungen eines schweren Magnetsturmes als sehr schwerwiegend ein, speziell bei moderner Kriegsführung, die zu einem großen Teil auf der Verfügbarkeit von Funkverbindungen, Satelliten und GPS beruht. Die britische Royal Academy of Engineering sieht zwar auch deutliche Gefahren, ist aber zurückhaltender. Solare Superstürme würden weltweite monatelange Internetausfälle verursachen. Eine IT-Forscherin beschreibt die Robustheit der derzeitigen Internet-Infrastruktur und mögliche Ausnahmen und Maßnahmen wie Meshnetze, verbundene Peer-to-Peer Anwendungen und neue Protokolle.
Neben den Auswirkungen auf technische Systeme gibt es wissenschaftliche Untersuchungen zu den Effekten geomagnetischer Stürme auf Lebewesen. Besonders bei Tieren, die über eine Magnetorezeption zur Orientierung verfügen, wie Zugvögel oder Honigbienen, wurden Beeinflussungen beobachtet. Darüber hinaus wird in der Literatur ein möglicher Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit diskutiert, wobei Einflüsse auf den zirkadianen Rhythmus, die Melatoninproduktion und die Zirbeldrüse als Hypothesen im Raum stehen. Die wissenschaftliche Beweislage dafür ist allerdings bisher umstritten.
Geschichte
Vor dem 19. Jahrhundert
Diverse Befunde, beispielsweise ein erhöhter 14C-Gehalt in anhand der Jahresringe exakt datierbaren Holzteilen, weisen auf Ereignisse beispielsweise in den Jahren 660 v. Chr., 774/775 n. Chr. und 993/994 hin, die überwiegend als magnetische Stürme gedeutet werden doi:10.1073/pnas.1815725116 (für das Ereignis von 774/775 wird aber auch ein Gammastrahlenausbruch eines etwa 3000 Lichtjahre entfernten Himmelskörpers als Ursache erwogen). Diese Ereignisse könnten das Carrington-Ereignis von 1859 (s. u.) in seiner Intensität an der Erdoberfläche um ein Mehrfaches übertroffen haben.
Ebenfalls durch Baumringe nachgewiesen wurde ein Ereignis im ersten Drittel des Jahres 12350 v. Chr. Gemäß einer im Jahr 2025 veröffentlichten Studie war es noch etwa 18 Prozent stärker als das von 775 n. Chr. Der Anstieg des Kohlenstoff-14-Gehalts in den Baumringen war sogar fast doppelt so hoch. Damit handelt es sich um das stärkste bisher bekannte extreme Sonnenpartikelereignis.Kseniia Golubenko, Ilya Usoskin, Eugene Rozanov, Edouard Bard: New SOCOL:14C-Ex model reveals that the Late-Glacial radiocarbon spike in 12350 BC was caused by the record-strong extreme solar storm in: Earth and Planetary Science Letters, ISSN 0012-821X, Vol. 661 (2025), S. 119383Dieter Petereit: Kosmischer Volltreffer vor 14.375 Jahren: Diese uralte Katastrophe zeigt eine aktuelle Gefahr für unsere Hightech-Welt auf t3n.de, 31. Mai 2025
19. Jahrhundert Magnetische Stürme wurden bereits im frühen 19. Jahrhundert beobachtet. Alexander von Humboldt untersuchte von Mai 1806 bis Juni 1807 die Variation der Richtung, in die ein magnetischer Kompass in Berlin wies. Er registrierte am 21. Dezember 1806 starke Störungen und konnte in der folgenden Nacht Polarlichter sehen; am nächsten Morgen waren die Störungen vorbei. In der Nacht vom 1. zum 2. September 1859 wurde der bisher mächtigste geomagnetische Sturm registriert, der heute als Carrington-Ereignis bezeichnet wird. Er führte zu Polarlichtern, die selbst in Rom, Havanna und Hawaii – also äquatornah – beobachtet werden konnten. In den höheren Breiten Nordeuropas und Nordamerikas schossen Starkströme durch Telegrafenleitungen, diese schlugen Funken, Telegrafenpapiere fingen Feuer und das gerade weltweit installierte Telegrafennetz wurde massiv beeinträchtigt. Bereits am 28. August 1859 konnte die Entwicklung von Sonnenflecken beobachtet werden, die mit extrem starken Magnetfeldern und Sonneneruptionen einhergingen.Donald Savage: NASA Scientist Dives into Perfect Space Storm. In: JPL News. 23. Oktober 2003, National Aeronautics and Space Administration/Jet Propulsion Laboratory, online auf JPL.NASA.gov, abgerufen am 16. Januar 2017. Untersuchungen von Eisbohrkernen zeigen, dass ein Ereignis dieser Stärke im statistischen Mittel alle 500 Jahre auftritt.
20. Jahrhundert Im Jahre 1921 erzeugte ein großer geomagnetischer Sturm in Überlandleitungen Ströme, die zehnmal so stark waren wie bei dem Ereignis im März 1989.Severe Space Weather Events – Understanding Societal and Economic Impacts. Workshop Report, National Academies Press, Washington D.C. 2008, S. 90, online auf NAP.edu, abgerufen am 16. Januar 2017.