Weltraumwetter

Jeder Himmelkörper in unserem Sonnensystem gibt Teilchen ab, die als interplanetarer Staub durchs Weltall fliegen. Es sind aber vor allem die Aktivitäten der Sonne, die das Weltraumwetter prägen. Eine Kombination aus extrem heißen Gasblasen auf der Sonnenoberfläche und ein starkes Magnetfeld, dass Materie in gewaltigen Ausbrüchen ins Weltall befördert. Damit Partikel die Sonne verlassen können, muss eine Bedingung erfüllt sein: Die Beschleunigung der Teilchen muss so groß sein, dass sie die Gravitation der Sonne überwinden können. Durch die vielen turbulenten Prozesse auf der Sonnenoberfläche, ist diese Gegebenheit an vielen Orten auf der Sonne erfüllt. Daher strömen stetig Teilchen ins Weltall. Auf diese Weise verliert die Sonne pro Sekunde mehr als eine Millionen Tonnen an Masse. Dieser so genannte Sonnenwind besteht aus geladenen Teilchen. Ungefähr alle elf Jahre erhöht sich die Aktivität der Sonne. Dann kommt es sporadische zu Massenauswürfe, die den Wind zu einem Sonnensturm anwachsen lassen.

Störungen durch Sonnenstürme

Satelliten und Infrastruktur im interplanetaren Raum sind dem Sonnenwind ausgesetzt und bei Sonnenstürmen besonders durch geladene Teilchen gefährdet. Starke Sonnenstürme haben beispielsweiseschon zum Verlust von Satelliten geführt. Auf der Erdoberfläche ist sind Mensch und Infrastruktur durch das Erdmagnetfeld weitgehend vom Sonnenwind abgeschirmt. Nur an den Polen dringen die geladenen Teilchen tiefer in die Erdatmosphäre vor und erzeugen z. B. Polarlichter. Starke Sonnenstürme kann das Magnetfeld der Erde jedoch nicht vollständig abhalten. Dann kann es zu einer Beeinflussung der elektronischen Infrastruktur kommen. In seltenen Fällen verursachen sie z. B. Stromausfälle sowie Störungen in der Kommunikation oder im Bahnverkehr.

Messung des Sonnenwinds

Um solche Ausfälle zu vermeiden und gefährdete Infrastruktur zu schützen, ist es wichtig, den Sonnenwind zu messen und die Auswirkungen von Sonnenstürmen vorherzusagen. Dafür gibt es drei gängige Verfahren:

• Messung der Anzahl der geladenen Teilchen durch die Auswertung von Signalen von Navigationssatelliten (z.B. GPS-Satelliten), wie in Abbildung 1 illustriert:
  Diese Signale müssen die Erdatmosphäre durchqueren. Befinden sich in der sogenannten Ionosphäre viele geladene Teilchen aufgrund stärkerer Sonnenwinde, verringert sich die Geschwindigkeit der Signale. Aus der Verzögerung könnne Wissenschaftler Rückschlüsse auf die Anzahl der geladenen Teilchen in der Ionosphäre und damit auf die Aktivität der Sonne ziehen. Dieses Verfahren hat allerdings einen Nachteil: Eine Vorwarnung vor Sonnenwinden- oder -stürmen ist nicht möglich, da sich die geladenen Teilchen bereits in der Erdatmosphäre befinden, wenn Wissenschaftler die Daten erheben.

Abb. 1: Auswertung von Signalen von Navigationssatelliten

• Messung der elektromagnetischen Strahlung mithilfe von Satelliten:
  Eine gewisse Vorwarnzeit bieten Verfahren, die die elektromagnetische Strahlung messen, die bei den starken Ausbrüchen auf der Sonne entsteht. Elektromagnetische Strahlung erreicht die Erde bereits nach acht Minuten. Abgesehen von Störungen in der Kommunikation, verursacht sie aber keine Ausfälle an Satelliten oder Infrastruktur. Die geladenen Teilchen dagegen brauchen zwischen 30 Minuten und mehreren Tagen bis sie die Erde erreichen. Abbildung 2 illustriert diese Situation. Die elektromagnetische Strahlung zu messen ermöglicht eine Abschätzung der Auswirkungen eines Sonnensturms, bevor die geladenen Teilchen die Erde erreichen. Für die Messung von elektromagnetischer Strahlung kommen spezielle Satelliten zum Einsatz. Deren Vorteil ist, dass sie sich außerhalb der Erdatmosphäre befinden. Allerdings sind diese speziellen Satelliten dem negativen Einfluss von starken Weltraumwetterereignissen direkt ausgesetzt und sehr teuer.

Abb. 2: Elektromagnetische Strahlung erreicht die Erde

• Messung der elektromagnetischen Strahlung mit Radioteleskopen:
  Radioteleskope auf der Erde dagegen sind durch das Erdmagnetfeld vom Sonnenwind abgeschirmt und im Vergleich zu Satelliten sehr günstig. Sie haben den Nachteil, dass die Atmosphäre und menschengemachte Signale die Messungen beeinflussen. Das erschwert die Interpretation der Messwerte.

Um bestmögliche Ergebnisse zu erhalten, ist es sinnvoll, die Messdaten aus allen drei Verfahren - Signalverzögerung der Navigationssatelliten sowie Messung der elektromagnetischen Strahlung mit Teleskopen und Satelliten - zur Beobachtung des Sonnenwinds zu verwenden.

Das Radioteleskop zur Beobachtung der Sonnenaktivität in Wettzell

Sonnenbeobachtungsteleskop in Wettzell

Die Sonne steht mit verschiedenen Messgeräten unter globaler Beobachtung. Allerdings gibt es bisher wenige Radioteleskope, die speziell die Aktivität der Sonnenoberfläche, die sogenannte spektrale Flächenleistungsdichte, messen. Das Teleskop am Geodätischen Observatorium Wettzell beobachtet gemeinsam mit anderen Stationen durchgehend diesen Messwert. Das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt verwendet die Daten für die Vorhersage der Auswirkungen des Weltraumwetters.

Wer braucht Vorhersagen des Weltraumwetters?

Vorhersagen des Einflusses von Weltraumwetterereignissen sind für verschiedene Bereiche wichtig. Betreiber von unbemannten Weltraummissionen sowie von Satelliten verwenden diese, um ihre Missionen umzuplanen oder ihre technische Infrastruktur zu schützen. Personal in bemannte Missionen (z. B. auf der Internationalen Raumstation ISS) begibt sich bei zu starken Sonnenwinden in speziell abgeschirmte Bereiche.

Navigationssysteme müssen den Einfluss von geladenen Teilchen in der Ionosphäre auf die Signallaufzeit zwischen Satellit und Empfänger berücksichtigen, wie in Abbildung 1 illustriert. Aus dieser Laufzeit ermittelt sich schlussendlich die Position des Empfängers. Fehler in der Laufzeitmessung wirken sich direkt auf die Positionsbestimmung aus. Inzwischen ist es möglichen den Einfluss der Signalverzögerung zum größten Teil zu beseitigen. Ältere Systeme sind allerdings weiterhin auf eine Vorhersage des Weltraumwetters angewiesen.

In der Luftfahrt kommt zur Beeinflussung der Navigationssysteme die Strahlenbelastung von Crew und Passagieren hinzu. Bei entsprechender Warnung passen die Airlines Flugrouten und -höhen an.

Bei der Bohrung von Öl- oder Gasfeldern geht es in die Tiefe und manchmal auch um die Ecke. Diese so genannten Richtbohrprojekte sind auf Vorhersagen des Weltraumwetters angewiesen. Denn hin und wieder werden für die Bestimmung der Bohrrichtung Messungen des Erdmagnetfeldes genutzt. Schwankt das Erdmagnetfeld durch den Einfluss der geladenen Teilchen eines Sonnensturms stark, ist das nicht mehr möglich.

Im schlimmsten Fall führen Sonnenstürme zu einem Stromausfall auf der Erde. Netzbetreiber können mit Hilfe von Weltraumwetterwarnungen durch geschickte Steuerung Instabilitäten und Stromausfälle vermeiden.