Können wir die Erde vor Weltraumwetter schützen?

Anfang September 1859 waren die Nordlichter plötzlich bis in die Karibik zu sehen. Die Ursache war ein geomagnetischer Sonnensturm – genauer gesagt ein koronaler Massenauswurf, der heute nach dem Astronomen, der ihn aufgezeichnet hat, als Carrington-Ereignis bezeichnet wird.

Die Sonneneruption erreichte die Erde in 17,6 Stunden, mit Störungen, die etwa drei Tage anhielten. „Zeitgenössische Berichte sprechen von Telegrafengeräten, die entweder nicht funktionieren, ohne eingeschaltete Batterien funktionieren – dank dieser unabhängigen elektromagnetischen Energiequelle, oder einfach Feuer fangen“, sagt Palmroth von der Universität Helsinki.

Wären die Auswirkungen angesichts unserer zunehmenden Abhängigkeit von der Elektronik weitreichender und langanhaltender, wenn heute ein Ereignis ähnlicher Größenordnung eintreten würde? „Wir gehen davon aus, wissen es aber nicht wirklich, und das untersuche ich“, fügt Palmroth hinzu, ein ehemaliger Vorsitzender der Weltraum-Beratungsgruppe der EU. „Die historischen Aufzeichnungen deuten darauf hin, dass Ereignisse dieser Größenordnung alle 100 bis 150 Jahre zu erwarten sind. Ich denke, ich werde Zeuge des nächsten.“

Was verursacht Sonnenstürme?

Die Sonne setzt ständig einen Strom geladener Teilchen in den Weltraum frei, sowohl aus schnellen Ausbrüchen hochenergetischer Teilchen mit geringer Dichte aus Sonneneruptionen als auch langsamer als Plasmawolken, die aus Teilchen mit niedrigerer Energie aber hoher Dichte bestehen.

Das Magnetfeld der Erde lenkt diese Partikel in ihre Polarregionen ab und erzeugt die polare Aurora – obwohl sich der Aufprall weiter ausdehnt. „Auch wenn der Weltraum ab einer Entfernung von etwa 100 km vom Boden definiert ist, kann das Weltraumwetter Auswirkungen auf den Boden haben“, erklärt Palmroth.

Im Jahr 2012 beobachtete der STEREO-Satellit der NASA eine Sonneneruption im Ausmaß von Carrington; Glücklicherweise verfehlte es die Erde um ein paar Tage. Wenn es die Magnetosphäre der Erde erreicht hätte, wäre es wahrscheinlich zu erheblichen Störungen der Kommunikations-, Strom- und Transportnetze gekommen.

„Solche Änderungen des Erdmagnetfelds erzeugen geomagnetisch induzierte Ströme (GICs), während Sonnenpartikel ionosphärische Funksignale behindern und die erdnahe Weltraumstrahlung durch eingefangene Partikel erhöhen“, fasst Palmroth zusammen.

Aufgeladene GICs können zusätzliche Gleichströme (DCs) in Stromnetzen erzeugen und diese abschalten, wie es 2003 in Malmö, Schweden, geschah.

Sonnenpartikel stören Kommunikationssignale, indem sie eine variable ionosphärische Dichte erzeugen und Geräte kompromittieren, die Hochfrequenzbandbreiten verwenden, wie z. B. Radar. Dies würde auch die GPS-Navigation von Telefonen oder Autos unzuverlässig machen und den Verlust von Satellitenzeitstempeln verursachen, die für Finanzdienstleistungen und andere Branchen unerlässlich sind.

Eine erhöhte erdnahe Weltraumstrahlung hätte direkte Auswirkungen auf Satelliten, die für Wetter, Navigation und Erdbeobachtung eingesetzt werden. Abhängig von ihrer Umlaufbahn könnten Materialien durch Strahleneinwirkung degradiert oder durch direkte Treffer hochenergetischer geladener Teilchen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, vollständig zerstört werden.

„Aber das ist fundierte Spekulation“, warnt Palmroth. „Während wir viele Überwachungsgeräte für das terrestrische Wetter haben, verlassen wir uns bei wahrscheinlichen Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Infrastruktur weitgehend auf die Modellierung.“

Weltraumwetter vorhersagen

Dank eines ERC-Grants vor über 15 Jahren entwickelte Palmroth ein Modellierungstool für Weltraumumgebungen, das Supercomputer nutzen sollte, die damals noch nicht existierten. Der resultierende Vlasiator-Simulator, der kürzlich durch das PRESTISSIMO-Projekt erweitert wurde, zeichnet den Ort, die Geschwindigkeit und die Flugbahn hochenergetischer Teilchen auf, die durch den Weltraum fliegen.

„Anfangs dachten die Leute, ich sei verrückt. Jetzt haben wir den weltweit genauesten Weltraumumgebungssimulator, der Europas größte Supercomputer verwendet, um Phänomene zu visualisieren, die vorher nicht möglich waren. Da Vlasiator Open Source ist, verwenden andere ihn, auch um andere Planeten zu modellieren, “, fügt Palmroth hinzu.

Palmroth bewertet nun wahrscheinliche Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Erde und priorisiert dabei zwei Hauptforschungsfragen: Wie könnten sich GICs auf Stromnetze auswirken und wie Partikelfluss und Energie Satelliten beeinflussen.

Beide sind schwer zu erforschen, da sie wirtschaftlich und politisch sensible Informationen über die Konfiguration der Stromnetze und Satelliten erfordern, daher arbeitet das Team derzeit mit finnischen Daten.

„Wir wissen, dass Finnlands Stromnetze den wahrscheinlichsten Auswirkungen des Weltraumwetters standhalten können, weil unsere Transformatoren zusätzliche DCs besser aufnehmen als die meisten europäischen Länder“, sagt Palmroth. „Bedeutet das, dass im schlimmsten Fall europaweit nur noch Finnland das Licht anlässt? Wir wissen es nicht.“

Das CARRINGTON-Projekt arbeitet mit der finnischen Bereitschaftsgemeinschaft zusammen, um an der Risikominderung zu arbeiten. „Gegen eine Veranstaltung im Carrington-Maßstab stellt sich die Frage: Was schafft man in 17 Stunden? Man braucht einen fertigen Plan“, sagt Palmroth.