Wenn riesige Sonnenstürme die Erde treffen, lösen sie wunderschöne Polarlichter hoch oben in der Erdatmosphäre aus. Diese Sonnenaktivität hat allerdings auch eine Schattenseite. Das dadurch ausgelöste „Weltraumwetter“ bedroht auch unsere Technologie. Aufgrund des möglichen Schadens benötigen wir hochpräzise Vorhersagen darüber, wann genau diese Stürme die Magnetosphäre unseres Planeten treffen werden.
Um das herauszufinden, gingen Wissenschaftler in England an die Quelle: bestimmte Stellen auf der Sonne, an denen diese Stürme ausbrechen. Diese Ausbrüche werden als koronale Massenauswürfe (CMEs) bezeichnet. Es handelt sich um riesige Explosionen magnetisch geladener Teilchen und Gase von der Sonne. Sie reisen durch den Weltraum und treffen alles, was ihnen im Weg steht, einschließlich Planeten.
Wenn diese Wolke geladener Teilchen auf unser Magnetfeld trifft, löst sie eine Kettenreaktion aus. Natürlich entstehen wunderschöne Polarlichter – Nord- und Südlichter, die am Himmel tanzen. Aber sie prallen auch auf Satelliten in der Erdumlaufbahn und können diese beschädigen, darunter auch alle unsere Telekommunikations- und Navigationssysteme für Flugzeuge, Schiffe und Züge.
Für Astronauten an Bord von Raumstationen im Orbit ist die Gefahr sogar noch größer. Denn Strahlung stellt eine ständige Bedrohung für das menschliche Leben dar. Auf der Erde können solche Stürme enorme elektrische Ströme verursachen, die Stromnetze beschädigen können. Der Schaden an der Technologie ist auf der ganzen Welt spürbar.
Aus diesem Grund möchten Satellitenbetreiber und andere genauere Vorhersagen darüber, wann genau uns ein von einem koronarer Massenauswurf ausgelöstes Weltraumwetterereignis treffen wird. Um das herauszufinden, müssen Sonnenphysiker einen Blick auf die Sonne und die Abfolge der Ereignisse werfen, die koronare Massenauswürfe verursachen.
Untersuchung der aktiven Sonnenregionen
CMEs stammen aus aktiven Regionen der Sonne. Das sind Orte mit sehr starken Magnetfeldern. Die magnetischen Feldlinien bilden Schleifen, die sich verdrehen und schließlich brechen. Wenn das passiert, kommt es zu einem gewaltigen Materialausbruch – dem CME. Normalerweise bewegen sie sich mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 3.000 km/s von der Sonne weg. Diese große Unsicherheit macht es schwierig vorherzusagen, wann die Sonnenwolke die Erde treffen wird.
Wissenschaftlerteams unter der Leitung der Sonnenphysikerin Harshita Ghandhi von der Aberystwyth University konzentrierten sich auf die Höhe über der Sonne, in der das Magnetfeld instabil wird. Sie nennen dies die „kritische Höhe“ und sie kann Wissenschaftlern helfen, die Geschwindigkeit und Ankunftszeit eines koronalen Massenauswurfs vorherzusagen.
Ausbrüche in aktiven Regionen, die Sonnenstürme verursachen.
„Indem wir messen, wie die Stärke des Magnetfelds mit der Höhe abnimmt, können wir diese kritische Höhe bestimmen“, sagte Gandhi. „Diese Daten können dann zusammen mit einem geometrischen Modell verwendet werden, mit dem die tatsächliche Geschwindigkeit von CMEs in drei statt nur zwei Dimensionen verfolgt werden kann, was für präzise Vorhersagen unerlässlich ist.“
Das Team fand heraus, dass es einen sehr starken Zusammenhang zwischen der kritischen Höhe des koronaren Massenauswurfs bei seinem Start und seiner tatsächlichen Geschwindigkeit beim Austreten gibt. „Diese Erkenntnisse ermöglichen es uns, die Geschwindigkeit des koronaren Massenauswurfs und damit auch seine Ankunftszeit auf der Erde vorherzusagen, sogar bevor der koronarer Massenauswurf vollständig ausgebrochen ist“, sagte Ghandhi.
Wenn Sonnenphysiker die tatsächliche Geschwindigkeit des koronarer Massenauswurfs genauer kennen, können sie vorhersagen, wann er die Erde treffen wird. Das wiederum ermöglicht es Satellitenbetreibern, Netzbetreibern, Raumfahrtagenturen und anderen, sich auf den Einschlag vorzubereiten und ihre Anlagen zu schützen.
„Wenn wir die kritische Höhe verstehen und in unseren Vorhersagen berücksichtigen, können wir besser vor herannahenden koronarer Massenausbreitung warnen und so die Technologie schützen, von der unser modernes Leben abhängt“, betonte Gandhi.
Sonnenstürme und die Schäden, die sie verursachen
Unsere Sonne durchläuft Perioden, in denen sie stärkere Ausbrüche hat als sonst. Einige der stärksten Sonnenstürme ereignen sich während der solaren Höchstphase des 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus. Das heißt aber nicht, dass sie nicht auch zu anderen Zeiten auftreten.
Wenn sie jedoch auftreten, können sie großen Schaden anrichten.
Ein berühmter Sturm ereignete sich am 13. März 1989. Es handelte sich um eine Kombination aus zwei koronaren Massenauswürfen, die am 10. und 12. März von der Sonne abhoben. Sie verursachten Strömungen tief in der Erdatmosphäre und lösten gleichzeitig Polarlichter aus.
Damals waren die Stromnetze nicht unbedingt gegen derartige Ereignisse „gewappnet“. Infolgedessen kam es zu einem Ausfall des Stromnetzes von Hydro-Quebec und es entstand enormer Schaden. In Ostkanada und Teilen der USA gab es tagelang keinen Strom.
Um Halloween 2003 herum kam es zu einem weiteren großen Sturm. Er beeinträchtigte Satellitensysteme, unterbrach die Kommunikation, einige Stromsysteme fielen aus und Menschen auf der ganzen Welt sahen ein spektakuläres Polarlichtspektakel. Im Weltraum wurde der Solarsatellit SOHO kurzzeitig abgeschaltet. Astronauten an Bord der ISS mussten an einem sicheren Ort an Bord der Station Schutz suchen.
Heute befinden wir uns in einem weiteren Zyklus erhöhter Sonnenaktivität. Im Mai 2024 haben wir bereits starke Stürme erlebt, und es werden sicherlich noch mehr dazukommen. Bisher haben sie nicht viel Schaden angerichtet und uns einige schöne Polarlichter beschert. Glücklicherweise hat die fortgeschrittene Forschung zu diesen Sonnenstürmen Technologiebetreibern und Weltraumagenturen dabei geholfen, ihre Systeme zu „härten“.
Allerdings können sie ihre Anlagen nur begrenzt schützen. Hochpräzise Vorhersagen darüber, wann ein koronarer Massenauswurf auf unserem Planeten eintreffen wird, sind ein großer Fortschritt. Zumindest können diese Betreiber Satelliten neu positionieren, ihre Stromnetze und andere Kommunikationstechnologien verstärken und Astronauten im Weltraum vorwarnen.
Wenn in Zukunft Menschen auf dem Mond oder auf dem Weg zum Mars sind, werden solche Vorhersagen auch zu ihrer Sicherheit beitragen.
Mehr Informationen:
DH Boteler, Eine Sicht des 21. Jahrhunderts auf den Magnetsturm vom März 1989, Weltraumwetter (2019). DOI: 10.1029/2019SW002278