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Sonnenaufgang Erde

SENDETERMIN Mo, 24.4.2017 | 8:30 Uhr | SWR2

Wenn Sonnenstürme die Erde treffen Weltraumwetter

SWR2 Wissen. Von Anke Wilde

Unwetter gibt es nicht nur auf der Erde, sondern auch im All: extreme Sonnenstürme. Sonnenstürme beeinflussen das Erdmagnetfeld. Besonders gefährdet sind Stromnetze und Satelliteninfrastrukturen - Technologien also, ohne die unser Alltag und unser gesamtes wirtschaftliches Gefüge nicht mehr denkbar sind.

Zwischen dem 28. August und dem 4. September 1859 brach das Telegrafensystem in Europa, Nordamerika und Australien teilweise zusammen. Einfache Botschaften brauchten mitunter Stunden, um in einer halbwegs verständlichen Form beim Empfänger anzukommen. Mancherorts sprühten die Drähte Funken oder es wurden gar Mitarbeiter durch Stromschläge verletzt. Die Tageszeitungen waren damals zur Übermittlung von Nachrichten auf Telegrafen angewiesen, und viele berichteten über die Geschehnisse.

Zur gleichen Zeit erhellten Polarlichter von bisher ungekannter Intensität den Nachthimmel. Am Morgen des 1. September 1859 machte der britische Astronom Richard Christopher Carrington eine seltsame Entdeckung: Er beobachtete die Sonne und fertigte Skizzen von den Sonnenflecken an, die zu diesem Zeitpunkt erstaunliche Ausmaße angenommen hatten. Carrington vermutete zunächst, dass seine Beobachtungsinstrumente beschädigt waren und das Sonnenlicht direkt durchließen.

Polarlicht

Polarlichter entstehen, wenn geladene Teilchen in die Atmosphäre eindringen und dabei Sauerstoff- und Stickstoffatome zum Leuchten anregen

Doch seine Instrumente funktionierten bestens – er war Zeuge eines großen Ausbruchs auf der Sonne geworden. Am Abend desselben Tages traf die Materiewolke, die bei diesem Ausstoß freigesetzt worden war, auf der Erde ein. Sie verursachte den heftigsten geomagnetischen Sturm, der seit Beginn der wissenschaftlichen Aufzeichnungen in den 1840er Jahren registriert wurde. Die damaligen Ereignisse sind heute als "Carrington-Event" bekannt.

Wenn die Sonne regnet

Die Sonne setzt permanent Strahlung und Materie frei. Die elektrisch geladenen Partikel, die als Sonnenwind ins All geschleudert werden, bestehen aus Wasserstoffatomen, Elektronen und etwas Helium. Je nach Sonnenaktivität weht dieser Wind mit Geschwindigkeiten bis zu einigen hundert Kilometern pro Sekunde. Man spricht dabei vom Weltraumwetter. Und wie beim Wetter auf der Erde kann dieser Wind zu einem Sturm ausarten.

Sonnenstürme entstehen dann, wenn besonders viel Materie ausgestoßen wird. Ein Anzeichen, dass das bevorsteht, können die so genannten Sonnenflecken sein: Sie sind kühler und strahlen deutlich weniger Licht aus als der Rest der Sonnenoberfläche, daher sind sie als dunkle Flecken sichtbar. Hier verhindern starke Magnetfelder, dass heiße Materie aus dem Sonneninneren an die Oberfläche steigt. Wenn es dann zwischen zwei Magnetfeldern einen Kurzschluss gibt, kommt es zu heftigen Eruptionen. Die angestaute Energie wird als Strahlung freigesetzt, und Masse wird ausgeworfen.

Weltall. Im Anschnitt der blaue Planet Erde.

Die elektrisch geladenen Partikel können an den Polen des Erdmagnetfeldes in die Atmosphäre eindringen

Das Erdmagnetfeld ist unser äußerster Schutzschild gegen die energiegeladenen Teilchen des Sonnenwinds. Sie prallen nicht ungebremst auf die Erde, sondern werden entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes zu den beiden magnetischen Polen abgelenkt. Diese Pole befinden sich in der Nähe der geographischen Pole; im Norden Kanadas und vor der antarktischen Küste. Dort können die , und es entstehen Polarlichter. Das passiert schon bei relativ geringem Sonnenwind.

Blackout der Transformatoren

Bei einem Sonnensturm hingegen sind die Wechselwirkungen zwischen der Materiewolke und dem Erdmagnetfeld deutlich heftiger. Die Materiewolke bekommt nämlich von der Sonnenregion, aus der sie herausgeschleudert wird, ihr eigenes Magnetfeld mit auf den Weg. Bei einem extremen Ausbruch ist dieses Magnetfeld stärker kann Blackouts in den Stromnetzen verursachen. Die geladenen Sonnenpartikel verursachen zusätzliche Ströme in der Ionosphäre und es kommt zum geomagnetischen Sturm, das heißt, das Erdmagnetfeld ändert sich zunächst an den Magnetpolen, und diese Änderungen pflanzen sich in polfernere Gebiete fort.

Die Änderungen des Erdmagnetfelds wiederum verursachen in elektrischen Leitern zusätzliche Ströme, so genannte geomagnetisch induzierte Ströme. Dafür ist unser Netz nicht gemacht; lange Hochspannungsleitungen sind besonders anfällig. So können Transformatoren abgeschaltet werden oder gar durchbrennen, und das führt zum Blackout.

Im Jahr 1859, zum Zeitpunkt des Carrington-Events, steckte die Elektrotechnik noch in den Kinderschuhen. Es gab keine Hochspannungsleitungen und kein GPS. Heute ist unser Alltag kaum vorstellbar ohne das Wechselspiel von Elektronen und elektromagnetischen Wellen.

Abhängigkeit von GPS

Zwar ist die Wahrscheinlichkeit, dass die Erde von einem extremen Sonnensturm getroffen wird, gering. Von der Sonne aus gesehen ist die Erde ungefähr so groß wie eine Erbse in hundert Meter Entfernung für uns. Aber für Sonnenforscher wie Volker Bothmer ist es eine statistische Gewissheit und nur eine Frage des Wann und nicht des Ob, dass ein Supersturm der Carrington-Klasse wieder unseren Planeten treffen wird. Immerhin, die zusätzliche Strahlung kann für uns Menschen nur im Flugzeug oder im Raumschiff schädlich werden, weil die Atmosphäre uns gegen sie schützt. Unser Alltag würde aber im Vergleich zu damals deutlich stärker beeinflusst.

Satellit des amerikanischen Navigationssystem GPS auf seiner Umlaufbahn im All

Nicht nur Privatpersonen verlassen sich auf die Zuverlässigkeit von GPS, auch für die Wirtschaft spielt das System eine wichtige Rolle

Besonders gefährlich wäre eine Beeinträchtigung des GPS: Seit das Navigationssystem im Jahr 2000 für den zivilen Gebrauch freigegeben wurde, ist seine wirtschaftliche Bedeutung immens gestiegen. Es lotst Privatpersonen und Lieferanten sicher zu ihrem Ziel, aber es liefert beispielsweise auch die Zeitstempel für Transaktionen am Finanzmarkt. Flugzeuge und Schiffe verwenden GPS zur Verortung und für kritische Manöver, und sogar im Bergbau und in der Landwirtschaft setzt man auf Maschinen, die mit Hilfe von GPS-Daten weitestgehend autonom den Boden bearbeiten.

Sonnensturm und globale Wirtschaft

Das bedeutet nicht nur, dass Flugzeugpiloten und die Navigatoren von Schiffen auf alternative Methoden umschwenken müssten. Ein größerer Sonnensturm mit Stromausfällen und einem Ausfall des GPS würde wahrscheinlich die globale Wirtschaft kalt erwischen. Denn die Lieferketten sind inzwischen international genau getaktet; man verlässt sich darauf und spart wo immer möglich an Lagerkosten. Wenn nun in einem Land die Stahlindustrie ihre Arbeit unterbrechen müsste, weil nach einem Sonnensturm der Strom wegbleibt, würde dies die globale Lieferkette empfindlich stören.

Von offizieller Seite wird das Weltraumwetter darum immer ernster genommen. Mehrere Staaten haben Weltraumwetterstrategien verabschiedet, beispielsweise Großbritannien und die USA. In Deutschland ist das Weltraumlagezentrum der Bundeswehr für Weltraumwetterwarnungen zuständig und beliefert damit unter anderem die Behörden des Katastrophenschutzes. Auch Schwellenländer wie China, Indien, Südafrika und Brasilien befassten sich mehr und mehr mit dem Weltraumwetter.

Besonders wichtig sind Weltraumwetterfrühwarnsysteme. Die US-amerikanische Wetterorganisation NOAA betreibt ein solches schon seit einigen Jahren. Die Daten stammen von wissenschaftlichen Weltraummissionen, die von NASA und ESA betrieben werden. Entsprechend der Informationspolitik dieser Behörden sind sie frei zugänglich und werden weltweit genutzt.

Die Strahlung, die zusammen mit der Materie von der Sonne freigesetzt wird, kommt innerhalb weniger Minuten auf der Erde an

Der Wetterbericht für das Weltall

Die wichtigsten Sonden zur Beobachtung von Weltraumwetterereignissen umkreisen einen Punkt zwischen Erde und Sonne, an dem sich die Gravitationskräfte beider Himmelskörper ausgleichen. Dieser so genannte Lagrangepunkt L1 befindet sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Von dort aus senden die Satelliten in Echtzeit ihre Beobachtungsdaten zur Erde.

Wenn sie auf der Sonne einen extremen Ausstoß von Materie aufzeichnen, muss die Informationskette am Boden sehr schnell in Gang kommen. Denn die Strahlung, die zusammen mit der Materie freigesetzt wird, bewegt sich mit Lichtgeschwindigkeit und kommt innerhalb weniger Minuten auf der Erde an. Ob dann weitere Gefahren drohen, hängt von der Ausrichtung des Magnetfelds ab, welches der Sonnensturm mit sich führt. Das kann aber erst gemessen werden, wenn die Materiewolke die Beobachtungssatelliten trifft, die anderthalb Millionen Kilometer von der Erde entfernt sind.

Erst mit diesen Daten können die Weltraumwetterexperten klar sagen, ob der nahende Sonnensturm den Hochtechnologien wirklich gefährlich werden kann. Aber dann sind es nur noch wenige Minuten, bis die Materiewolke selbst auf die Erde kracht. Dieses kleine Zeitfenster bedeutet dennoch, dass eigentlich alle potenziell Gefährdeten auf einen extremen Sonnensturm vorbereitet sein sollten – auch wenn er noch so selten ist.

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