Sternstunde : Frühwarnsystem für Weltraumwetter soll Stromausfälle verhindern

Wenn Sonnenstürme die Erde treffen, kann dies zu schweren Schäden an Stromnetzen oder Satelliten führen. Forscher haben deshalb ein Frühwarnsystem für das Weltraumwetter entwickelt.

Volker Bothmer, Projektkoordinator des Instituts für Astrophysik Göttingen, sitzt an einem Rechner mit unterschiedlichen Sonnenaufnahmen des Satelliten "SDO" (Solar Dynamics Observatory). Die Universität Göttingen hat ein neues Weltraumwetter-Frühwarnsystem vorgestellt.

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Die kommenden Monate sollen stürmisch werden. Weltraumexperten haben für Mitte des Jahres eine besonders hohe Sonnenaktivität vorausgesagt. Durch Eruptionen an der Oberfläche werden sich gigantische Gasbälle lösen und gen Erde schießen. „Im elf Jahre dauernden Sonnenzyklus gibt es rund 10.000 Sonnenstürme. Davon kommen etwa 40 auf der Erde an“, sagt Volker Bothmer von der Uni Göttigen.

Weil das auch konkrete Auswirkungen auf die Kommunikationssatelliten hat, hat ein internationales Forscherteam unter seiner Leitung nun den ersten Prototypen eines europäischen Frühwarnsystems für Weltraumwetter entwickelt. Dies analysiert die Daten aktueller Weltraummissionen in Echtzeit und berechnet Stärke, Richtung, Geschwindigkeit und Verlauf von Sonnenstürmen sowie die zu erwartenden Folgen auf der Erde. „Advanced Forecast for Ensuring Communications Through Space“ (AFFECTS) heißt das System, das etwa 2,5 Millionen Euro gekostet hat. Finanziert wurde es in weiten Teilen mit EU-Mitteln.

Ein aktiver Vulkan auf einer Insel – Astronaut Parmitano sieht am 1. Juni bei einem Rundflug um die Erde gleich zwei davon. Er verrät nicht, wo die Aufnahme entstanden ist.

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Foto: NASA/ESA

Rauch strömt aus der Spitze des Ätna. Der „sizilianische Gigant“, wie Parmitano den Vulkan in Süditalien nennt, ist immer wieder aktiv.

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Sonne und Mond gehen gleichzeitig auf – auch für die Astronauten ein besonderer Anblick.

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Flüsse des brasilianischen Regenwaldes fließen in den Atlantik, in dem sich die untergehende Sonne spiegelt.

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Der große Wagen steht am Firmament – was sich bewegt, ist die Erde.

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Der Nil und sein Delta. Das von Unruhen geplagte Ägypten – von Bord der ISS sieht es nachts ganz friedlich aus.

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Detroit, Cleveland und Toronto leuchten hell bis ins All. Rechts deutet sich der Sonnenaufgang an – in Europa ist es schon hell.

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„Die sieben Schwestern“, nennt Parmitanos Kollegin Nyberg die Pleiaden. Hier hat sie sie über dem Inselstaat Mauritius fotografiert. Im Indischen Ozean spiegelt sich das Mondlicht.

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Esa-Astronaut Luca Parmitano schwebt Anfang Juni mit seinem Fotoapparat in der Cupola. Damals ist er seit fünf Tagen an Bord der ISS. „Warte auf ein Foto-Motiv“, schreibt er zu dem Foto von ihm auf Twitter.

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Felder in Kansas, USA: „Wie ein Gemälde von Mondrian“, staunt Parmitano.

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„Wir fliegen direkt über der Tag-Nacht-Grenze“, schreibt Parmitano. 16 Sonnenauf- und Untergänge sehen die Astronauten jeden Tag.

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„Falls Ihr Euch fragt, wie ein Gewittersturm aus dem All aussieht“, schreibt Parmitano – und twittert das passende Bild dazu.

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Ende Juli zieht ein Gewittersturm über Asien hinweg. „Die Blitze waren fantastisch“, schwärmt ISS-Astronautin Karen Nyberg auf Twitter.

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Am 9. August fotografiert Nyberg das japanische Versorgungsmodel HTV4, das gerade an die Raumstation andockt. Rechts der Roboterarm der ISS.

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Kurz vorher schwebt das Modul (links, mit grünem und rotem Licht) über der nächtlich erleuchteten Stadt Houston in Texas.

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Kolossaler Schnappschuss: Das Mittelmeer, der Sternhaufen der Pleiaden (über dem Stiefelabsatz Italiens) und ein Gewitter über dem Balkan.

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„Wenn Du diese Landmarke siehst, weiß Du, dass Du in Mauretanien bist“, schreibt Parmitano. Es handelt sich nicht etwa um einen Meteroitenkrater, sondern um einen erodierten Vulkan.

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Astronautin Nyberg nimmt die gleiche Stelle rund einen Monat später aus einer anderen Perspektive auf. „Das Auge der Sahara“, nennt sie die Landmarke mit einem Anflug von Poesie.

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Parmitano sieht den Mond aufgehen – hinter dem blauen Schleier der Erdatmosphäre.

Foto: NASA/ESA

Parmitano in der Aussichtskuppel Cupola: Bei einem Weltraumspaziergang vor wenigen Wochen floss dem Italiener Wasser in den Helm, er bekam fast keine Luft mehr.

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So sieht es kurz nach Sonnenaufgang in Peru, Chile und Bolivien aus. Die Nacht flieht über den Pazifik davon.

Foto: NASA

Ein Sandsturm über dem Roten Meer. „Wie eine dahinrauschende Wolke“, findet Astronaut Parmitano.

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„Eines der coolsten Spiele im Weltraum“, schreibt Nyberg, "ist mit Wasser und dem optischen Phänomen der Refraktion zu spielen“. Es sorgt dafür, dass die Astronautin im Wassertropfen auf dem Kopf steht. Oben und unten gibt es in der Schwerelosigkeit ohnehin nicht.

Foto: NASA

Selbstportrait im All: Luca Parmitano bei seinem ersten Weltraumspaziergang Mitte Juli.

Foto: NASA/ESA

Die Sonne spiegelt sich im Meer vor Australien.

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Das Sonnenlicht spiegelt sich im Schwarzen Meer bei der ukrainischen Hafenstadt Odessa.

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„Space Invaders in der Wüste?“, mutmaßt Parmitano beim Anblick dieser merkwürdigen Anlage im Wüstensand.

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Sydney bei Nacht. Für solche Aufnahmen benutzen die Astronauten gerne ein Stativ mit einem Motor, der die Kamera während der Belichtung nachführt.

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Fast wie ein riesiges Lebewesen: Taiwan bei Nacht.

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Teheran bei Nacht. Die Städte an der Küste am kaspischen Meer leuchten durch die dünne Wolkendecke hervor.

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Blick durch die Cupola: „Unsere Fenster zur Welt“, schreibt Nyberg.

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Ein verschneiter Berggipfel in La Paz, Bolivien. Dort herrscht im Juni gerade Winter.

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Die Waldbrände in Kalifornien sind für die Astronauten als riesige Rauchschwaden sichtbar.

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Ein Kreuzfahrtschiff zieht eine riesige Welle hinter sich.

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Eine Wolkenwand vor der Küste Argentiniens – hunderte Kilometer lang.

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Faszinierende Muster: Diese Wüste in Algerien hat es Parmitano angetan.

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Konkret funktioniert das so: Nach Eruptionen auf der Sonne werden die Daten aktueller Weltraummissionen und von Satelliten in Echtzeit analysiert. Diese befinden sich etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt.

Das neue System berechnet aus dieser großen Datenmenge Stärke, Richtung, Geschwindigkeit und Verlauf von Sonnenstürmen und die zu erwartenden Folgen auf der Erde. „Aus der Analyse dieser Daten lassen sich die Eigenschaften des Sonnensturmes ableiten, der Zeitpunkt, wann er ungefähr auf der Erde eintrifft und welche Auswirkungen das Unwetter hier haben wird“, erklärte Projektleiter Volker Bothmer. Ein eindeutiges Ergebnis berechne das System binnen maximal einer Stunde. Weil der Weg von der Sonne bis zur Erde 150 Millionen Kilometer beträgt, könne eine Vorwarnzeit von mindestens zwölf Stunden erreicht werden.

Was Sonnenstürme auslösen können

Kleine Sonnenstürme, sogenannte Sonnenflecken, sind ganz normal. Doch manchmal schießen große Gasblasen aus der Sonnenoberfläche hervor und rasen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2000 Kilometern pro Sekunde durch den interplanetarischen Raum. Dabei werden riesige Mengen von Materie freigesetzt. Und diese Materie kann die Magnetosphäre stören.

Diese befindet sich etwa 50.000 Kilometer von der Erde entfernt und legt sich wie ein Schutz vor Sonnenstürmen um den Planeten. „Wenn ein Partikelsturm die Grenze der Magnetosphäre erreicht, kann das unter bestimmten Umständen magnetische Reaktionen zur Folge haben und einen sogenannten Geomagnetischen Sturm hervorrufen“, sagt Alexi Glover, Astronomin der ESA in Madrid. „Ein konstanter Wind im interplanetaren Raum ist ganz normal, aber heftige Stürmen bergen das Potential zu großen Störungen.“

Eine aktuelle Ansicht der Sonne mit einer Lichtwellenlänge von 193 Nanometer.

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La Silla Observatorium

Die Sterne rotieren während einer Nacht um den südlichen Himmelspol am La Silla-Observatorium der ESO im Norden Chiles. Die diffusen Bereiche auf der rechten Seite des Bildes sind die Magellanschen Wolken, zwei kleinen Begleitgalaxien unserer Milchstraße. Die im Vordergrund sichtbare Kuppel beherbergt das 3,6-Meter-Teleskop mit dem HARPS-Instrument, dass dem zur Zeit erfolgreichsten Exoplanetenjäger der Welt. Das kastenförmige Gebäude unten rechts beherbergt das 0,25-Meter-TAROT-Teleskop, das so konstruiert ist, dass es besonders schnell auf Gammastrahlenausbrüche reagieren kann. Weitere Teleskope auf La Silla sind das 2,2-Meter-MPG/ESO Teleskop und das 3,6-Meter-New Technology Telescope, das erste Teleskop an dem aktive Optik zum Einsatz kam und somit Vorläufer aller modernen Großteleskope. La Silla war das erste Observatorium der ESO und ist nach wie vor eines der führenden Observatorien auf der Südhalbkugel.

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ALMA

Der ESO-Fotobotschafter Babak Tafreshi hat dieses bemerkenswerte Bild der Antennen des Atacama Large Millimeter/submillimeter Arrays (ALMA) vor der Kulisse der prächtigen Milchstraße aufgenommen. ALMA ist eine internationale Einrichtung, die gemeinsam von Europa, Nordamerika und Ostasien in Zusammenarbeit mit der Republik Chile getragen wird. Bei Entwicklung, Aufbau und Betrieb des Observatoriums ist die ESO zuständig für den europäischen Beitrag, das National Astronomical Observatory of Japan für Ostasien und das National Radio Astronomy Observatory für den nordamerikanischen Beitrag. Das Joint ALMA Observatory übernimmt die übergreifende Projektleitung für den Aufbau, die Inbetriebnahme und den Beobachtungsbetrieb von ALMA.

Die Detailfülle in diesem Foto bestätigt die unübertroffenen Beobachtungsbedingungen für die Astronomie auf dem 5000 Meter hohen Chajnantor-Plateau in Chiles Atacama-Region. Die Aufnahme zeigt die Sternbilder Carina (der Schiffskiel) und Vela (das Segel). Die dunklen, schmalen Staubwolken der Milchstraße erstrecken sich von der Mitte links oben zur Mitte rechts unten. Der helle, orangefarbene Stern links oben ist Suhail im Sternbild Vela, der ähnlich orange gefärbte Stern in der oberen Bildmitte ist Avior im Sternbild Carina. Nahe dieser Sterne formen drei blaue Sterne ein „L“: die zwei linken davon gehören zum Segel, der rechte zum Schiffskiel. Genau in der Bildmitte zwischen diesen Sternen leuchtet der rosafarbene Carinanebel (eso1208).

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Die Milchstraße

Die zentralen Bereiche unserer Heimatgalaxie, der Milchstraße, beobachtet im nahen Infrarot mit dem NACO-Instrument am Very Large Telescope der ESO. Da sie seit mehr als 16 Jahren die Bewegungen der Sterne in unmittelbarer Umgebung verfolgen, konnten Astronomen die Masse des Schwarzen Lochs bestimmen, das sich dort verbirgt.

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M22

Denn dort haben Astronomen erstmals Schwarze Löcher in einem Kugelsternhaufen gefunden. In dem majestätischen Sternhaufen unserer Milchstraße mit der Katalognummer M22 stieß ein internationales Forscherteam gleich auf zwei Schwarze Löcher mit jeweils 10 bis 20 Mal soviel Masse wie unsere Sonne. 

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Pferdekopfnebel

Dieses Gebilde nennen die Astronomen den Pferdekopfnebel. Die Farbkomposition des Nebels und seiner unmittelbaren Umgebung basiert auf drei Einzelbelichtungen im sichtbaren Licht, die am 1. Februar 2000 mit dem FORS2-Instrument am 8,2-Meter Kueyen-Teleskop auf dem Paranal aufgenommen und dem wissenschaftlichen Archiv des VLTs entnommen wurden.

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Weihnachtsbaumhaufen

Diese Farbaufnahme zeigt eine Himmelsregion namens NGC 2264, die die leuchtend blauen Sterne des Weihnachtsbaumhaufens und den Konusnebel enthält. Aufgenommen wurde das Bild durch vier verschiedene Filter (B, V, R und H-alpha) mit dem Wide Field Imager am La Silla Observatorium der ESO in 2400 Metern Höhe. Der abgebildete Nebel hat einen Durchmesser von etwa 30 Lichtjahren.

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Orionnebel

Auch diese Großfeldansicht des Orionnebels (Messier 42) entstand in Chile. Das VISTA-Infrarotdurchmusterungsteleskop am Paranal-Observatorium der ESO zeichnete den Nebel auf, der sich in einer Entfernung von 1350 Lichtjahren von der Erde befindet. Mit dem riesigen Gesichtsfeld des neuen Teleskops lässt sich der gesamte Nebel zusammen mit seiner Umgebung in einer einzigen Aufnahme abbilden. Beobachtungen im Infraroten ermöglichen es, auch in die Bereiche des Nebels vorzudringen, die sonst von Staubwolken verdeckt sind, und machen die aktiven, jungen Sterne sichtbar, die sich darin verbergen.

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Orion-Reflexionsnebel

Dieses Bild des Reflexionsnebels Messier 78 wurde mit dem Wide Field Imager am 2,2-Meter MPG/ESO Teleskop am La Silla-Observatorium in Chile aufgenommen. Das Bild entstand aus vielen Einzelbelichtungen, die in Schwarzweiß, aber mit blauen, gelbgrünen und roten Farbfiltern sowie einem Spezialfilter für das Licht des Wasserstoffs entstanden sind.

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Helixnebel

Dieses Farbkomposit des Helixnebels (NGC 7293) wurde aus Einzelbildern erstellt, die mit dem Wide Field Imager (WFI) aufgenommen wurden, einer Kamera am MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium in Chile. Der blaugrüne Schimmer im Zentrum des Nebels stammt von ionisiertem Sauerstoff, der von der intensiven UV-Strahlung des 120.000 Grad heißen Zentralsterns zum Leuchten angeregt wird. Weiter entfernt vom Stern und außerhalb eines Rings aus knotenartigen Strukturen dominiert dann die rote Farbe von Wasserstoff und Stickstoff. Schaut man sich den Zentralbereich des Objekts genau an, fallen nicht nur die knotenförmigen Strukturen sondern auch viele Hintergrundgalaxien auf, die man durch das dünne Gas des Nebels hindurch sehen kann.

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Vampirsterne
Die Forscher der ESO beobachten allerdings nicht nur galaktische Nebel, sondern auch das Verhalten von Planeten und Sternen. Eine neue Studie mit dem Very Large Telescope der ESO zeigt, dass die heißesten und hellsten Sterne – die sogenannten O-Sterne – oft Teil von engen Doppelsternsystemen sind. In vielen dieser Binärsysteme strömt Materie von einem Stern zum anderen. Diese künstlerische Darstellung zeigt einen solchen Fall von stellarem "Vampirismus".

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Spiralgalaxie

Diese eindrucksvolle Aufnahme der großen Spiralgalaxie NGC 1232 wurde am 21. September 1998 bei besonders guten Beobachtungsbedingungen gewonnen. Das Bild basiert auf drei Einzelaufnahmen im ultravioletten, blauen und roten Licht. Verschiedene Bereiche der Galaxie zeigen unterschiedliche Färbungen: Der Zentralbereich enthält viele ältere Sterne, die rötlich leuchten, während die Spiralarme von jungen, blauen Sternen und Sternentstehungsregionen bevölkert sind. Auf der linken Seite erkennt man eine Begleitgalaxie, die durch die Schwerkraft der großen Galaxie zu einer Form verzerrt wurde, die dem griechischen Buchstaben Theta ähnelt.

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Lagunennebel

Dieses Bild ist die dritte Aufnahme des GigaGalaxy Zoom-Projektes der ESO: Es zeigt eine Übersicht des Lagunennebels, die mit dem 67-Megapixel-Wide Field Imager am MPG/ESO 2,2-Meter-Teleskop am La Silla-Observatorium in Chile angefertigt wurde. Das Bild deckt mit insgesamt 370 Megapixeln etwas mehr als eineinhalb Quadratgrad ab – eine Fläche, die dem achtfachen der scheinbaren Größe der Vollmondscheibe am Himmel entspricht. Es basiert auf Einzelaufnahmen, die mit drei verschiedenen Breitband-Farbfiltern (B, V, R) und einem Schmalband-Filter (H-alpha) gewonnen wurden.

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Antennengalaxien

Diese Antennengalaxien, auch bekannt als NGC 4038 und 4039, sind zwei wechselwirkende Spiralgalaxien, die circa 70 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt im Sternbild Corvus (der Rabe) liegen. Dieses Bild kombiniert Beobachtungen von ALMA, die während der Testphase des Observatoriums in zwei Wellenlängenbereichen aufgenommen wurden, mit Aufnahmen des NASA/ESA-Hubble Space Telescopes im sichtbaren Licht.

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Krebsnebel

Dieses Bild zeigt ein Dreifarbenkomposit des Krebsnebels im Sternbild Taurus (der Stier), der auch die Bezeichnung Messier 1 trägt. Die Bilddaten wurden am Morgen des 10. November 1999 mit dem FORS2-Instrument im Abbildungsmodus aufgenommen. Der Krebsnebel ist der Überrest einer Supernovaexplosion, die vor fast 1000 Jahren - genauer gesagt im Jahr 1054 - in einer Entfernung von 6000 Lichtjahren stattgefunden hat. Nahe des Zentrums befindet sich der Überrest des explodierten Sterns, ein Neutronenstern, der sich pro Sekunde 30 mal um seine Achse dreht.

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Centaurus A

Diese neue Aufnahme der Galaxie im Sternbild Centaurus, der Centaurus A, kombiniert ALMA-Daten der massereichen elliptischen Radiogalaxie mit Bildern im nahinfraroten Licht. Die neuen ALMA-Daten, die grün, gelb und orange dargestellt sind, zeigen, wo in der sich Galaxie Gaswolken befinden und wie sie sich bewegen. Es handelt sich um die empfindlichsten und detailreichsten derartigen Beobachtungen, die je gemacht wurden.

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Staubring

Diese Darstellung zeigt den Staubring um den Stern Fomalhaut (α Piscis Austrini), dem hellste Stern im Sternbild Südlicher Fisch und dem 18. in der Liste der hellsten Sterne am Himmel. Aufgenommen wurde das Bild mit dem Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA). In blau ist eine frühere Aufnahme vom NASA/ESA Hubble Space Telescope unterlegt. Die neuen ALMA-Daten haben den Astronomen einen wichtigen Durchbruch beim Verständnis dieses nur 25 Lichtjahre entfernten Planetensystems ermöglicht und enthalten wertvolle Hinweise darauf, wie solche Objekte entstehen und sich entwickeln. ALMA hat bislang allerdings nur einen Teil des Rings beobachten können.

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Möwennebel

Dieses Bild, aufgenommen am La Silla-Observatorium der ESO, zeigt Bereiche einer Sternkinderstube, die den Spitznamen „Möwennebel“ trägt. Die Gaswolke, auch bekannt als Sh 2-292, RCW 2 oder Gum 1, erinnert an den Kopf einer Möwe und wird durch die intensive Strahlung eines in der Wolke befindlichen heißen, jungen Sterns zu hellem Leuchten angeregt.

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Große Magellansche Wolke

Diese Aufnahme zeigt den südlichen Teil der eindrucksvollen H II-Region N44 in der Großen Magellanschen Wolke. Die Magellanschen Wolken sind zwei irreguläre Zwerggalaxien in nächster Nachbarschaft zur Milchstraße und werden mit GMW und KMW (Große/Kleine Magellansche Wolke) abgekürzt. Die Grüne Färbung deutet darauf hin, dass entsprechende Bereiche besonders heiß sind.

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2003 zum Beispiel legten die Auswirkungen eines Sonnensturms das Stromnetz einer ganzen Region in Schweden lahm und sorgten für einen Ausfall des europäischen Flugradars sowie zur Streichung zahlreicher Flüge in den USA. Rund 390 Millionen Euro teure Forschungssatellit „Midori 2“ ging verloren.

Auch 1989 kam es in der Folge eines Sonnensturms in der kanadischen Provinz Québec zu einem Stromausfall, von dem ganze sechs Millionen Menschen in der Region um Montreal betroffen waren. Der bisher heftigste Sonnensturm seit Beginn der Aufzeichnungen wurde in der Nacht vom 1. auf den 2. September 1859 registriert. Das gerade neu installierte weltweite Telegrafennetz soll dabei stark beschädigt worden sein.

Sonnenstürme rufen aber auch ein gigantisches Naturschauspiel hervor. Spektakuläre Nordlichter zeichnen sich dann als grüne, rote, gelbe und violette Bänder am Nachthimmel ab. Sind die Stürme besonders stark, ist das Naturphänomen nicht nur nördlich des Polarkreises, sondern sogar in Deutschland zu beobachten. Hervorgerufen werden sie durch die an den Feldlinien entlangströmenden geladenen Teilchen und die Verformung der Magnetosphäre während eines Sonnensturms.

„Auch dieses Schauspiel beobachten wir genau, um zu verstehen wie lange es dauert, bis sich ein Sonnensturm auf der Erde ausbreitet“, sagt Volker Bothmer aus Göttingen. Das neue Weltraumwetter-Frühwarnsystem könne helfen, solche Schäden zu vermeiden, so der Astrophysiker.

Alle Ergebnisse des neuen Frühwarnsystems stellen die Forscher sofort auf der Seite www.affects-fp7.eu ins Internet. Außerdem sollen sie per App für Android- und Apple-Geräte zur Verfügung stehen.

Zu den Partnern des Projekts „Advanced Forecast For Ensuring Communications Through Space (AFFECTS)“ gehören neben der Universität Göttingen das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt in Neustrelitz, das Fraunhofer Institut für Physikalische Messtechnik in Freiburg, die Firma Astrium ST in Friedrichshafen, das Planetarium Hamburg, das Königliche Observatorium für Belgien in Brüssel, das Geophysikalische Institut der Universität Tromsö in Norwegen, das nationale Weltraumforschungsinstitut der Ukraine und das Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration der USA.