Verwenden Sie Magnetfelder, um das Weltraumwetter zu verstehen

Die Sonne erzeugt unglaublich viel Energie, Energie, die Sie als Licht und Wärme sehen und spüren können. Andere Energieformen der Sonne sind für den Menschen unsichtbar. Auch wenn Sie sie nicht sehen können, wirken sich die geladenen Teilchen, Magnetfelder sowie Gamma- und Röntgenstrahlen der Sonne auf die Erde aus. Darüber hinaus erzeugen diese unsichtbaren Energieformen, wenn sie mit dem Magnetfeld und der Atmosphäre eines Planeten interagieren, einige der schönsten Farb- und Lichtspiele des Sonnensystems.

Sie wissen es vielleicht nicht, aber im Weltraum gibt es ein Wetter, das von der Sonne gesteuert wird. Das Sonnenwetter beeinflusst die Erde in vielerlei Hinsicht, nicht nur zum Guten. Um zu verstehen, wie das geschieht, muss man den Sonnenwind und die Magnetfelder verstehen. Holen Sie also Ihre Magnete heraus, denn Sie werden mit der Abschirmungskraft experimentieren, die unseren Planeten schützt.

Sie können es kaum erwarten, loszulegen? Springen Sie zum Experiment!

Die Oberfläche der Sonne verändert sich ständig, da elektrisch geladenes Plasma mit Magnetfeldern interagiert und eine Vielzahl von Sonnenaktivitäten verursacht – kühle magnetische Sonnenflecken, energiereiche Sonneneruptionen und riesige Plasmablasen, sogenannte koronale Massenauswürfe (CMEs). Die Eruptionen von Flares und CMEs stoßen Strahlung in den Weltraum aus. Zusammengenommen erzeugt diese Aktivität eine Art Wetter namens Weltraumwetter, das die Funkkommunikation, Stromnetze und Satelliten rund um die Erde beeinträchtigen kann.

Weit über der sichtbaren Oberfläche der Sonne interagiert auch ihre superheiße äußere Atmosphäre, die Korona, mit den Magnetfeldern auf der Oberfläche. Die Partikel der Korona bilden wunderschöne Luftschlangen, Schleifen und Fahnen, die sich weit vom massiven Sonnenkörper entfernen. Diese hochenergetischen Teilchen können der Schwerkraft der Sonne entkommen, der starken Kraft, die alles zum Zentrum eines Massenkörpers zieht. Die losgelassenen Teilchen werden mit einer Geschwindigkeit von bis zu einer Million Meilen pro Stunde in den Weltraum geschleudert und reißen einen Teil des Magnetfelds der Sonne mit sich. DerSonnenwindist der Fluss von Magnetfeldern und geladenen Teilchen von der Sonne.

Der Sonnenwind legt Milliarden von Kilometern bis an die Ränder des Sonnensystems zurück. Dabei interagiert der Sonnenwind mit jedem Planeten. Die Kombination aus Strahlung, Magnetfeldern und geladenen Teilchen, die die Sonne in den Weltraum schleudert, kann Auswirkungen auf die Erde und den Rest des Sonnensystems haben. Sonnenwind zertrümmert die Oberfläche von Asteroiden und Planeten ohne Atmosphäre. Es verändert die Zusammensetzung der Mondoberfläche und erzeugt eine Blase aus elektrifizierten Teilchen um den Mars. Auf der Erde kann Sonnenwind sowohl für Organismen als auch für die Technik gefährlich sein.

Glücklicherweise verfügt die Erde über ein eigenes Magnetfeld, die sogenannte Magnetosphäre.

Der Erdkern besteht aus Eisen und Nickel. Während sich die Erde um ihre Achse dreht, bewegt sich der heiße, flüssige äußere Kern und bewegt sich um den festen inneren Kern. Diese Bewegung erzeugt einen elektrischen Strom, der das starke Magnetfeld um den Planeten erzeugt und aufrechterhält. Das Feld hat zwei entgegengesetzte Pole, die sich im Norden und Süden des Planeten befinden, ähnlich wie ein normaler Stabmagnet.

Die Magnetosphäre und Atmosphäre der Erde bilden einen Schutzschild gegen den von unserer Sonne erzeugten Sonnenwind. Die meisten geladenen Teilchen prallen auf diesen Schild und umströmen ihn entlang der Feldlinien unserer Magnetosphäre. Die der Sonne zugewandte Seite der Magnetosphäre wird durch die elektromagnetische Kraft des Sonnenwinds gequetscht und abgeflacht, während die andere Seite wie ein Schwanz gezogen und ausgestreckt wird.

Manchmal passieren die geladenen Teilchen der Sonne den magnetischen Schild der Erde. Dies geschieht normalerweise, wenn ein Sonnensturm oder CME zusätzliche Strahlung in Richtung Erde sendet, die sich mit den Sonnenwindpartikeln verbindet. Diese Teilchen bleiben in der Magnetosphäre der Erde hängen. Dann prallen sie auf die elektrisch geladenen Gase der Ionosphäre der Erde, regen die Gasmoleküle der Ionosphäre an und fügen ihnen Energie hinzu. Wenn Moleküle in der Ionosphäre angeregt werden, geben sie Licht ab und erzeugen so ein wunderschönes sichtbares atmosphärisches Lichtspiel, das als Polarlicht bezeichnet wird.

Polarlichter sind helle, wunderschöne Bänder aus farbigem Licht hoch oben am Himmel. Verschiedene Gase in der Ionosphäre der Erde erzeugen unterschiedliche Lichtfarben, wenn sie durch Kollisionen mit geladenen Teilchen der Sonne angeregt werden. Die Wellenlänge des Lichts (und damit die Farbe) hängt von der elektronischen Struktur der Atome selbst und von der Energie der geladenen Teilchen ab, die mit den Atomen kollidieren. Hoch in der Atmosphäre erzeugt Sauerstoff eine rote Farbe, in den mittleren Schichten erzeugt Sauerstoff jedoch hellgrüne Wellen. Stickstoff in den unteren Schichten der Atmosphäre erzeugt Lila.

Obwohl sie jederzeit auftreten können und nachts hell sind, sind sie nicht hell genug, um tagsüber sichtbar zu sein. Polarlichter sind am häufigsten in der Nähe der Erdpole zu sehen und bilden aufgrund der Form des Erdmagnetfelds Ovale. Sie treten auch häufiger auf, wenn die Sonne besonders aktiv ist. Am Nordpol werden Polarlichter als Aurora Borealis oder Nordlichter bezeichnet. Am Südpol werden sie Aurora Australis oder Südlichter genannt.

Die Erde ist nicht der einzige Planet, der Polarlichter erlebt. Der Sonnenwind beeinflusst viele Planeten im Sonnensystem. Polarlichter kommen auch auf Mars, Venus, Jupiter, Uranus und Jupiter vor.

Sonne und Erde erzeugen starke Magnetfelder, die sich über Tausende von Kilometern ausbreiten. Allerdings braucht man nichts von der Größe eines Planeten, um etwas über Magnetismus zu lernen. Sie können Magnete zu Hause verwenden, um etwas über Magnetfelder in viel kleinerem Maßstab zu lernen!

Zwei Stabmagnete

Mehrere Gegenstände zum Testen – Münzen, Büroklammern, Aluminiumfolie, Plastikverschlüsse, Korken usw.

Eine Schachtel Büroklammern (möglichst in mindestens zwei Größen)

Maßband (optional)

Magnete aus dem ganzen Haus (optional)

Kleiner Plastikbehälter mit Deckel (optional)

Sicherheits- und Reinigungshinweise: Diese Aktivität wird für Kinder über 3 Jahren empfohlen, da Magnete eine Erstickungsgefahr darstellen und beim Verschlucken gefährlich sein können. Beaufsichtigen Sie kleine Kinder während dieser Aktivität sorgfältig. Platzieren Sie für kleine Kinder einen Magneten in einem Behälter mit Deckel, damit sie seine Wirkung erkunden können, ohne direkt darauf zugreifen zu müssen. Halten Sie alle Magnete von elektronischen Gegenständen wie Mobiltelefonen fern.

Probieren Sie die folgenden kleinen Experimente aus, um etwas über die Funktionsweise von Magneten zu erfahren:

Nun wissen Sie, dass Magnete sich gegenseitig anziehen können, aber was ist mit Dingen, die keine Magnete sind? Sammeln Sie einige Gegenstände aus dem ganzen Haus. Werden sie von Magneten angezogen oder abgestoßen? Um das herauszufinden, testen Sie, wie andere Objekte auf ein Magnetfeld reagieren.

Bei dieser Aktivität versuchen Sie herauszufinden, welche Gegenstände rund um Ihr Haus magnetisch sind und welche nicht. Machen Sie sich beim Testen Notizen und suchen Sie nach Mustern. Nutzen Sie Ihre Beobachtungsgabe, um Ihnen zu helfen.

Überprüfen Sie die Gegenstände in jedem Stapel. Stellen Sie sich diese Fragen.

Möglicherweise haben Sie herausgefunden, dass nichtmetallische Objekte nicht vom Magneten angezogen werden, während dies bei einigen Metallen der Fall ist. Metalle wie Eisen, Nickel, Kobalt und Stahl sind ferromagnetisch. Ferromagnetische Materialien haben eine einzigartige Molekülstruktur. Ihre Atome haben aufgrund der Bewegung und des Spins ihrer Elektronen elektromagnetische Eigenschaften. Wenn sie zu einem Muster kombiniert werden, bei dem die in die gleiche Richtung gerichteten Atome in parallelen Linien angeordnet werden, werden ihre individuellen Magnetfelder verstärkt. Dadurch können ferromagnetische Materialien leicht magnetisiert werden, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Materialien wie Eisen und Magnetit, ein Eisenoxid (Fe3O4), haben von Natur aus ausgerichtete Magnetfelder und sind Permanentmagnete. Starke Magnete können auch die Magnetfelder schwächerer ferromagnetischer Materialien ausrichten und sie magnetisch machen.

Magnete gibt es in vielen verschiedenen Größen, Formen und Stärken. Glaubst du, dass du schon beim bloßen Betrachten erkennen kannst, wie stark ein Magnet ist? Lass es uns herausfinden!

Berücksichtigen Sie diese Fragen, während Sie an Ihrem Experiment arbeiten und Ihre Ergebnisse vergleichen.

Wenn eine Büroklammer aus Stahl einen Magneten berührt, wird sie zu einem vorübergehenden Magneten. Jede hinzugefügte Büroklammer wird zu einem etwas schwächeren temporären Magneten. Allerdings reicht die Magnetkraft irgendwann nicht mehr aus, um weitere Büroklammern zu halten. Je stärker das vom Magneten erzeugte Magnetfeld ist, desto mehr Büroklammern zieht er an.

Sie haben vielleicht herausgefunden, dass die Größe des Magneten nur manchmal etwas mit seiner Stärke zu tun hat. Einige große Magnete sind schwach; Einige kleine Magnete sind sehr stark. Denn nicht nur seine Größe, sondern auch das Material, aus dem ein Magnet besteht, kann seine Stärke beeinflussen.

Neodym-Magnete bestehen beispielsweise aus seltenen Erdmetallen und sind sehr starke Magnete, selbst wenn sie sehr klein sind. Keramikmagnete hingegen, die aus Eisenoxid hergestellt werden, sind viel kostengünstiger und einfach herzustellen und daher häufiger anzutreffen, auch wenn es sich im Allgemeinen um schwächere Magnete handelt. Die Magnete an Ihrem Kühlschrank bestehen wahrscheinlich aus Keramik. Alnico-Magnete werden aus Aluminium, Nickel und Kobalt (verstanden? Al – Ni – Co) hergestellt. Diese starken Magnete werden in Motoren, Sensoren und Lautsprechern oder an Orten eingesetzt, an denen hohe Temperaturen erforderlich sind. Wie Sie in Ihrem Büroklammerexperiment gesehen haben, sind nicht alle Magnete Permanentmagnete. Elektromagnete sind eine andere Art von temporären Magneten. Das Magnetfeld eines Elektromagneten existiert nur, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. Sie können zu Hause einen Elektromagneten aus einem leitfähigen Draht, einem Nagel und einer Batterie herstellen.

Es gibt so viele Möglichkeiten, den Magnetismus und das Sonnenwetter weiter zu erforschen. Hier nur ein paar Empfehlungen.

Wir würden gerne sehen, was Sie machen! Teilen Sie Fotos Ihres Projekts mit dem Hashtag #SciFriSunCamp in den sozialen Medien oder senden Sie sie an [email protected].

Diese Ressource dient den folgenden Leistungserwartungen:

Diese Aktivität wird vom NASA Heliophysics Activation Team (NASA HEAT) unterstützt, das Teil des Science Activation-Portfolios der NASA ist.

Geschrieben von Sandy Roberts.Herausgegeben von Ariel Zych.Illustration von Carrie Lapolla.Digitale Produktion von Sandy Roberts.

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Sandy Roberts ist Bildungsprogrammmanagerin von Science Friday und erstellt dort Lernressourcen und Erfahrungen, um die MINT-Gerechtigkeit in allen Lernumgebungen zu fördern. In letzter Zeit spielt sie mit Origami-Schaltkreisen und versucht, ein Rezept für glutenfreien Sauerteig zu perfektionieren.

Erstellen Sie in diesem Aktivitäts- und Begleitspiel kleine Schildkrötennavigatoren und erkennen Sie damit Magnetfelder.

Ein Magnet und ein Penny helfen Ihnen dabei, ein menschlicher Metalldetektor zu werden.