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Sternstunde

Die glühende Gefahr der Sonnenstürme

Meike Lorenzen
Meike Lorenzen Ehem. Redakteurin Technologie WirtschaftsWoche Online

2013 wird es stürmisch. 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.

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Eruptionen auf der Sonnenoberfläche Quelle: dpa

Es ist nur schwer nachvollziehbar, was wir Menschen auf der Erde mit einem Sturm zu tun haben sollen, der mindestens 47,1 Millionen Kilometer von unserem Planeten entfernt durch den Kosmos rauscht. Doch das Weltraumwetter - insbesondere die Sonnenstürme - betreffen unser Leben unmittelbar. Denn die elektronisch geladenen Partikel, die mit dem Sturm in unsere Umlaufbahn geraten, können den Satellitenfunk und damit unsere kompletten modernen Kommunikationswege lahmlegen.

Kein Wunder also, dass der Bedarf an Wissenschaftlern, die sich mit den Phänomenen des Weltraumwetters auskennen, in den vergangenen Jahren massiv gestiegen ist. Eine, die seit über zehn Jahren in diesem Feld forscht, ist Alexi Glover. Die studierte Physikerin arbeitet bei der ESA (European Space Agency) vor den Toren der spanischen Hauptstadt Madrid. Seit kurzem gehört sie dem internationalen Team des "Space Situation Awareness"-Programms an und ist hier quasi als Wetterfrosch angestellt. "Seit Mitte der 90er Jahre ist der Begriff Weltraumwetter überhaupt erst gebräuchlich", sagt sie. "Seit den Anfängen unserer Arbeit hat das Interesse an den Stürmen im All stark zugenommen."

Der Grund dafür ist so logisch wie beängstigend: Unsere Gesellschaft hat sich im Zuge der technischen Entwicklungen immer mehr von Telekommunikations- und GPS-Satelliten im Weltraum abhängig gemacht. Seit der russische Satellit Sputnik 1 im Jahr 1957 ins All geschossen wurde, haben tausende Nachfolger ihren Weg in das Sonnensystem gefunden. Und mit der verstärkten Nutzung dieser Technologie ist das All zu einem entscheidenden Bestandteil unserer Infrastruktur geworden.

Sonnenstürme können Kommunikation zum erliegen bringen

Die Satelliten stellen dafür die Basis: vor allem das Fernsehen und präzise Navigation wären ohne die Helfer in der Erdumlaufbahn nicht möglich. Auch die digitale Kommunikation über das Internet wäre von einem heftigen Sonnensturm betroffen - mit Auswirkungen für Bereiche von der Börse bis zur alltäglichen Bürokommunikation. All dies kommt heute ohne das konstante Senden von Informationen nicht mehr aus.

Fallen Satelliten aus, sind die Folgen für uns Erdbewohner also verheerend. Die Sorge ist groß, ein Sonnensturm könne wichtige Satelliten beschädigen. Passiert ist das bereits 1989, als ein Sonnensturm in der kanadischen Provinz Québec zu einem Stromausfall führte, 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.

Seit dem Siegeszug des stationären wie mobilen Internets hat sich die Abhängigkeit von Satelliten konsequent verstärkt. Und damit auch der Bedarf an sicheren Analysen darüber, was im All eigentlich passiert. Damit zurück zu Alexi Glover vor den Toren von Madrid.

Noch viel Forschung nötig

50 Jahre Weltraumforschung
La Silla ObservatoriumDie 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. Quelle: Pressebild
ALMADer 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). Quelle: Pressebild
Die MilchstraßeDie 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. Quelle: Pressebild
 Das Handout der Zeitschrift «NATURE» zeigt eine Illustration eines schwarzen Loches in einem Kugelsternhaufen. Quelle: dpa
PferdekopfnebelDieses 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. Quelle: Pressebild
WeihnachtsbaumhaufenDiese 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. Quelle: Pressebild
OrionnebelAuch 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. Quelle: Pressebild

"Ich habe mich in meiner Arbeit vor allem auf die Forschung an koronalen Massenauswürfen konzentriert", sagt Glover. Als so einen Gasauswurf bezeichnet die Forschung Sonneneruptionen, bei denen Plasma explosionsartig ausgestoßen wird. Dabei geraten geladene Partikel in das Magnetfeld der Sonne. Die Stellen, an denen das Plasma austritt, werden Sonnenflecken genannt. "Ich wollte mehr darüber wissen, was die Eruptionen verursacht und ob wir vorhersagen können, wann sie auftauchen", sagt die Physikerin.

Bisher haben die Wissenschaftler bereits herausgefunden, dass die Sonne in zyklischen Abständen besonders aktiv ist. Alle elf Jahre werden Sonnenstürme heftiger, und seit geraumer Zeit nimmt die Aktivität der Sonne wieder zu. Besonders für 2013 werden heftige Sonnenstürme vorhergesagt. Vor allem Mitte des Jahres rechnen die Forscher mit einem Maximum an Sonnenaktivität.

Wenn es heftig wird

Eigentlich sind Sonnenwinde 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. Bei derart gigantischen Sonnenstürme werden riesige Mengen von Materie freigesetzt. Und diese Materie kann die Magnetosphäre stören.

Die Magnetosphäre der Erde 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. "Ein konstanter Wind im interplanetaren Raum ist ganz normal, aber heftige Stürmen bergen das Potential zu großen Störungen."

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.

Absackende Satelliten

Negativ betroffen ist vor allem der Funkverkehr von diesen hochenergetischen Teilchen der Sonne, die binnen Minuten ihren Weg zur Erde finden. So kann es zum Beispiel passieren, dass sich die Erdatmosphäre stark aufheizt und ausdehnt, wodurch die Satelliten aus ihrer Laufbahnen geraten. Oder von der Sonne losgelöste geladene Strahlenblitze rasen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit durch das All und erreichen ebenfalls schon nach wenigen Minuten die Erde, was die Telekommunikation weiter stören kann.

Einer der betroffenen Sektoren ist die Luftfahrt. Kostspielig wird es hier, wenn aufgrund der Weltraumwetterlage die Kommunikationsmöglichkeit der Flugzeugpiloten in den Polarregionen abbricht. Nicht selten kommt es vor, dass die Verantwortlichen ob des Risikos zur Sicherheit eine längere Route wählen, was bei etwa 11.000 Passagierflüge pro Jahr entsprechende Kosten verursacht. Ohne das Frühwarnsystem könnten die Piloten von der Kommunikation mit dem Bodenpersonal abgeschnitten oder der Radar gestört werden - mit fatalen Folgen. Ein Frühwarnsystem ist entsprechend wichtig. Und genau hier kommen Alexi Glover und die anderen Wissenschaftler ins Spiel.

Um das Wetter im All möglichst genau vorherzusagen, greifen mehrere Forschungsaspekte ineinander. "Wir müssen ein sehr großes Gebiet beobachten", sagt Alexi Glover. Um dem Herr zu werden, wird mit verschiedenen Teleskopen und Spektrometern, die UV-Aufnahmen der Sonne machen, die Oberfläche des glühenden Balls nach Veränderungen durchforstet. Kurz vor einer Eruption bauen sich unter der feurigen Oberfläche der Sonne sehr starke magnetische Strahlungen auf. "Diese lassen sich anhand von UV-Aufnahmen erkennen", sagt Glover.

Wichtige Frühwarnsysteme

Die Meilensteine der bemannten Raumfahrt
Der sowjetische Kosmonaut Juri Gagarin in seinem Raumanzug kurz vor seinem Start zum ersten bemannten Weltraumflug. Quelle: dpa
Satellit mit Namen Sputnik Quelle: dpa
Mit der Hündin "Laika" fliegt in Sputnik 2 das erste Lebewesen in eine Erdumlaufbahn. Sie stirbt nach wenigen Tagen, Foto: AP Quelle: AP
John Glenn umrundet als erster Amerikaner die Erde Quelle: Reuters
Der sowjetische Kosmonaut Alexei Leonow verließ sein Raumschiff und schwebte als erster Mensch im Weltraum, Foto: Nasa Images Quelle: Presse
Neil Armstrong auf dem Mond Quelle: NASA
astronaut Eugene Cernan auf dem Mond Quelle: REUTERS

Besonders hilfreich sind die Ergebnisse, die die gemeinsame Esa- und Nasa-Raumsonde Soho (Solar and Heliospheric Observatory) liefert. Die Mission ist bereits seit 1995 im All unterwegs und erforscht mit zahlreichen Experimenten die Sonne. Dafür befindet sie sich in einem sogenannten Halo-Orbit, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. In dieser Position hat die Sonde aufgrund der Gravitationskraft der Erde die gleiche Umlaufzeit um die Sonne wie unser Planet. Außerdem befindet sich Soho von der Erde aus gesehen immer zur Sonne gewandt, so dass weder der Planet noch der Mond den Blick der Messgeräte auf die Sonne stören können.

Neue Mission im Sommer

Noch in diesem Jahr soll eine weitere ESA-Mission mit dem Namen "Swarm" starten. Diese verfolgt einen ganz anderen Ansatz. "Aufgabe der Mission ist es, das Erdmagnetfeld und seine Entwicklung mit einer bisher nicht erreichten Gründlichkeit zu untersuchen", sagt Glover. Dadurch wollen die Wissenschaftler ein besseres Verständnis für die Vorgänge im Erdinneren gewinnen. Dafür werden gleich drei Körper ins All geschickt. Zunächst werden zwei nebeneinander herfliegende Satelliten auf einer Höhe von 450 Kilometern ausgesetzt und anschließend ein weiterer einzelner Satellit auf eine Höhe von 530 km befördert.

Curiosity kommt in die Jahre
März 2017Curiosity hat inzwischen deutliche Abnutzungsspuren. Ein Routine-Check der Reifen im März zeigt, dass es am linken mittleren Reifen zwei Brüche der sogenannten Stege im Profil gibt. Der Rover hat während seiner Reise über den Roten Planeten inzwischen etwa 16 Kilometer zurückgelegt. Curiosity-Projektmanager Jim Erickson sagte, alle sechs Reifen hätten trotz der sichtbaren Schäden noch genug Lebenszeit, um den Rover zu allen geplanten Orten zu bringen. Die regelmäßige Überwachung der Reifen wurde eingeführt, nachdem die Forscher im Jahr 2013 deutlich mehr Dellen und Löcher in den Rädern entdeckt hatten, als erwartet worden war. Tests auf der Erde hatten gezeigt, dass der Bruch von drei Stegen zeigt, dass etwa 60 Prozent der Lebenserwartung des Reifens erreicht sind. Curiosity hat aber bereits deutlich mehr als diesen Anteil an der geplanten Strecke zurückgelegt. Quelle: NASA/JPL-Caltech/MSSS
US-Präsident Barack Obama verlässt das Weiße Haus - und auch Curiosity verabschiedet sich. Quelle: Screenshot
Mars: Curiosity untersucht Meteoriten Quelle: NASA, JPL-Caltech, LANL, CNES, IRAP, LPGNantes, CNRS, IAS, MSSS
September 2016Die Kuppen und herausstehenden Felsen aus Schichtgestein am Mount Sharp entstanden wohl aus von Wind abgelagertem Sand. Sie erinnern stark an Wüstenlandschaften auf der Erde, etwa im Grand Canyon oder dem Monument Valley. Quelle: NASA
September 2016Der Rover sendet neue Fotos vom Mars: Im Hintergrund der Aufnahme ist der Rand des Gale-Kraters zu sehen, in dem Curiosity seit 2012 aktiv ist. Geologisch ist die Region besonders interessant, da sie die Untersuchung zahlreicher Gesteinsschichten ermöglicht. Der etwa fünf Kilometer hohe Mount Sharp liegt in der Mitte des Gale-Kraters. Quelle: NASA
Juli 2016Curiosity kann jetzt seine eigenen Ziele für die Laser-Analyse auswählen. Bisher wurden diese von der Erde aus anhand von Fotos ausgewählt. Die Wissenschaftler auf der Erde werden dadurch aber nicht ersetzt: Die neue Funktion soll vor allem dann zum Einsatz kommen, wenn die Nasa-Forscher anderweitig beschäftigt sind. Curiosity sendet auch nicht ständig Bilder, sondern am Ende seiner Wegstrecken. Bisher könnten wichtige Objekte auf Fahrten daher übersehen worden sein. Quelle: NASA
Curiosity: Mars hatte wahrscheinlich einst eine sauerstoffreiche Atmosphäre Quelle: dpa

Von dieser Konstellation versprechen sich die Wissenschaftler nicht nur präzise und hochauflösende Messungen der Stärke, Ausrichtung und Schwankungen des Erdmagnetfelds, also einen einzigartigen Einblick in die Zusammensetzung und die Prozesse im Inneren der Erde. Zusätzlich ermöglicht die Mission Analysen des Einflusses der Sonne auf das System Erde, worunter auch die Sonnenstürme fallen.

Sorge um Curiosity

"Das Interesse an unseren Vorhersagen über das Weltraumwetter ist innerhalb des letzten Jahrzehnts in diversen Bereichen extrem gestiegen", sagt Glover. Auch die großen Raumfahrtbehörden würden sich immer wieder an das Team in Spanien wenden, um sich das aktuelle Weltraumwetter vorhersagen zu lassen.

Forschung



Erst vor wenigen Tagen reagierte die Nasa auf eine angesagte Eruption aus dem All und fuhr die Aktivität des berühmten Mars-Rovers "Curiosity" herunter. Die Sorge war groß, dass die elektromagnetischen Teilchen die Bordelektronik des Weltraum-Roboters stören könnten. Zwar war nur ein mittelschwerer Sturm angekündigt worden, doch die Nasa wollte offensichtlich kein Risiko für die 2,5 Milliarden Dollar schwere Mission eingehen. 2003 wurde das "Martian Radiation Experiment" an Bord der Mars-Sonde "Odyssey" durch einen Sonnensturm beschädigt. Bei dem Gerät handelte es sich um ein geladenes Partikelspektrometer, mit dem die Atmosphäre des Mars auf radioaktive Stoffe überprüft wurde. Nach dem Sonnensturm konnte das Gerät nicht mehr verwendet werden.

Im Fall von Curiosity ging es glimpflich über die Bühne. Zwar konnten einige kleinere Sonnenflecken festgestellt werden, doch zu einem heftigen Sturm kam es nicht. Curiosity konnte seine Arbeit wieder aufnehmen.

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