Weltraumwetter: Wenn die Sonne Plasmawolken wirft

Der Blick ins All: endlose Weite, Stille und Frieden. Doch stopp: Auf der Sonne verursachen gigantische Eruptionen extreme Winde. Energetische Teilchen werden aus der Sonnenkorona ins Weltall geschleudert. Sonnenstürme können ionosphärische Störungen in der Atmosphäre verursachen und so die sensible Infrastruktur unserer Hightech-Gesellschaft gefährden. Denn unsere alltägliche Kommunikation und Navigation ist satellitengestützt. DLR-Wissenschaftler forschen an den Ursachen und Auswirkungen des sogenannten Weltraumwetters. Am Standort Neustrelitz bauen Wissenschaftler des Instituts für Kommunikation und Navigation und des Deutschen Fernerkundungsdatenzentrums zusammen ein „Ionosphere Monitoring and Prediction Center“ (IMPC) auf. Das IMPC wird ein Weltraumwetter-Beobachtungs-, Vorhersage- und Warndienstzentrum für Industrie, Regierung, Wissenschaft und für interessierte Laien.

Vor 4,5 Milliarden Jahren entstand unser Sonnensystem aus einer Wolke aus Gas und Staub. Auch heute noch ist die Sonne ein sehr aktiver Stern. Sie sendet nicht nur wärmendes Licht, sondern auch einen ständigen Strom elektrisch geladener Teilchen aus – den Sonnenwind. Auf ihrer 5.500 Grad Celsius heißen Oberfläche können ohne jede Vorwarnung explosionsartige Eruptionen auftreten. Der Teilchenstrom, der ins Weltall geschleudert wird, ist dann in einem begrenzten Gebiet kurzzeitig deutlich stärker als sonst – ein Prozess, den die Forscher als „Sonnensturm“ bezeichnen. Treffen die energiegeladenen Teilchen auf die Erde, können sie technische Systeme in unserem Orbit beschädigen. Eine exakte Vorhersage solcher Eruptionen ist derzeit noch nicht möglich, da die physikalischen Zusammenhänge, die zu ihrem Auftreten führen, teilweise noch unverstanden sind.

Um festzustellen, ob ein Sonnensturm die Erde trifft, wie stark dieser werden wird, und was dagegen getan werden kann, nutzen DLR-Wissenschaftler Daten von Sonnenbeobachtungssatelliten. In 1,5 Millionen Kilometer Entfernung von der Erde funktionieren diese Satelliten wie Warnbojen. Drei Satelliten kreisen in dieser lebensfeindlichen Umgebung: SOHO, ACE und DSCOVR

Wenn sich ein Teilchensturm zusammenbraut, werden geladene Teilchen als Plasmawolke in die Weiten des Alls geschleudert. Sobald der extreme Sonnenwind den Lagrange-Punkt L1 passiert, messen die Satelliten ACE und DSCOVR die veränderten Parameter. Mit Lichtgeschwindigkeit wird das Signal zur Empfangsstation gesendet. Der Sturm bewegt sich allerdings deutlich langsamer. Als gigantische Plasmawolke bahnt er sich mit 800 bis 2.000 Kilometern pro Sekunde seinen Weg durch die Heliosphäre, jenen weitreichenden interplanetaren Bereich um die Sonne.

Die gewaltigen Antennen in Neustrelitz empfangen das Signal der Satelliten. An diesem Standort des DLR in Mecklenburg-Vorpommern steht die einzige europäische Empfangsstation des Echtzeit-Sonnenwindbeobachtungsnetzwerks – weitere Stationen befinden sich in den USA, in Südkorea und in Japan. DLR-Wissenschaftler werten die Daten aus und können schnell auf erhöhte Sonnenwindparameter reagieren. Die Forscher analysieren das interplanetare Magnetfeld und berechnen den dynamischen Druck des Sonnenwindes am Lagrange-Punkt L1.

Dann erst herrscht Gewissheit: Ja, es ist ein Sonnensturm, ja, er bewegt sich in Richtung Erde, und ja, er wird unsere Erde erreichen. Weltraumwetter-Experten sprechen dann davon, dass sich energetische Plasmateilchen effektiv in die Erdatmosphäre „einkoppeln“. Von diesem Zeitpunkt an haben die Forscher eine Vorlaufzeit von 30 bis 60 Minuten – je nachdem, wie schnell der Sonnenwind unterwegs ist. Jetzt beginnen die Berechnungen: Wie stark werden die Auswirkungen des Sonnensturms sein? Wie effizient wird er sich in die Erdatmosphäre einkoppeln? Mit diesen Informationen können die Wissenschaftler Vorhersagen machen und eventuelle Störungen von technischen Systemen
im Bereich der Kommunikation und Navigation prognostizieren.

Unsere Erde ist vor schwachen Sonnenstürmen durch die Atmosphäre und ihr Magnetfeld weitestgehend geschützt. Letzteres führt die ankommenden geladenen Teilchen in einem Abstand von etwa zehn Erdradien (rund 70.000 Kilometer) entlang der Magnetfeldlinien um die Erde herum. In großen Höhen und in den Polargebieten ist dieser Schutz allerdings schwächer. Denn dort sind die Feldlinien des Magnetfelds stärker gegen die Erdoberfläche geneigt. Das macht diese Regionen anfälliger für die Auswirkungen von Sonnenstürmen.

Die Reflexion von Kurzwellen an der Ionosphäre ermöglicht weltweiten Funkverkehr. Die Ionosphäre besteht aus freien Elektronen und Ionen. Das macht sie zu einer geladenen Schicht und damit anfällig für Ströme geladener Sonnenwindteilchen oder Magnetfeldänderungen. Kurze, aber intensive Störungen werden von sogenannten Flares ausgelöst, intensiven Strahlungsausbrüchen, die in der Gasschicht entstehen, von der die Sonne umgeben ist. Häufig werden bei einem solchen Flare auch geladene Teilchen ausgeworfen, dann spricht man von einem koronalen Massenauswurf.

Als riesige Plasmawolke reisen diese Teilchen von der 150 Millionen Kilometer entfernten Sonne zur Erde. In der Folge entstehen nicht nur schöne Polarlichter, sondern die energetischen Teilchen können sich auch auf Raumsonden, technische Systeme im Weltraum und auf der Erde sowie auf das Leben und die Gesundheit der Menschen auswirken. Sie verändern die Anzahl der freien Elektronen und damit die Schichtdicke der Ionosphäre. Das ionosphärische Plasma verursacht Brechung, Beugung, Streuung und Absorption von Radiosignalen und ist die größte Fehlerquelle in den Ein-Frequenz-Positionierungssystemen, die in Navigationsgeräten und Smartphones integriert sind.

Aber nicht nur die Luftfahrt ist von Störungen durch das Weltraumwetter betroffen. Schneeräumfahrzeuge in Norwegen beispielsweise benötigen hochgenaue Positionsdaten, um sich durchs blickdichte Schneegestöber zu manövrieren. Landwirte, die sich dem „Präzisionsackerbau“ verschrieben haben, benutzen automatisierte Düngefahrzeuge, die dank GPS-Daten den Einsatz von Düngemitteln deutlich reduzieren können. Auch im Schiffsverkehr werden präzise Navigationsdaten verwendet, um eine genaue Positionierung im Hafenbereich zu ermöglichen oder um den optimalen Seeweg zu berechnen.

Bei sehr starken geomagnetischen Stürmen müssen auch Stromnetzbetreiber mit induzierten Strömen rechnen, die zu technischen Problemen und damit zu Stromausfällen führen können. Die Elektronik von TV- oder Mobilfunk-Satelliten könnte durch energiereiche Partikelstrahlung in einem extremen Sonnensturm zerstört werden. Für Astronauten stellen die erhöhten Strahlendosen sogar eine lebensbedrohliche Gefahr dar. Außerhalb der schützenden Atmosphäre sind sie bei Weltraumspaziergängen der gefährlichen hochenergetischen Teilchenstrahlung direkt ausgesetzt.

„Normale“ Flugreisende hingegen sind in der typischen Reiseflughöhe von elf Kilometern durch die Atmosphäre weitestgehend vor einer deutlich erhöhten Strahlungsdosis geschützt. Da dieser natürliche Schutz in den Polarregionen schwächer wird, werden bei starken Sonnenstürmen die Polarrouten vermieden beziehungsweise es wird etwas tiefer geflogen, um die Schutzzone der Atmosphäre größer zu halten.

Damit durch eine bessere Vorhersage von Weltraumwetter-Effekten unsere hoch technisierte Gesellschaft vor den vielfältigen Gefahren bis hin zu einem Blackout bewahrt wird, arbeiten die Wissenschaftler am Aufbau eines erweiterten Beobachtungs- und Vorhersagezentrums: dem „Ionosphere Monitoring and Prediction Center (IMPC)“. Bereits mit dem „Space Weather Application Center (SWACI)“ haben die DLR-Forscher bewiesen, dass sie eine Vielzahl erd- und weltraumbasierender Ionosphären-Daten in Echtzeit analysieren und auswerten können. Das Warnsystem ist sowohl für Wissenschaftler interessant als auch für die Betreiber von Systemen im Bereich satelliten-gestützter Kommunikation und Navigation.

(Quelle: DLR Magazin / Autor: Fabian Locher / Foto: DLR Magazin)

gateurope.de_2016-06-27 12:34:44