Wie entsteht ein Sonnensturm?

Sonnensturm, die Auswirkungen von Sonneneruptionen. Obwohl die Sonne etwa 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt ist, wirken sich ihre Ausbrüche bis hierher aus und gefährden unsere technisierte Gesellschaft, indem sie eine Gefahr für unsere Kommunikationssysteme und Stromnetze darstellen. Um einen möglichen Supersturm so früh wie möglich erkennen oder vorhersagen zu können, arbeiten Wissenschaftler mit Hochdruck daran, die Ursachen für die solaren Aktivitäten zu entschlüsseln und zu verstehen, doch trotz aller Fortschritte in der Sonnenforschung gibt es noch keine umfassende Weltraumwettervorhersage.

Geschichte

Alexander von Humboldt beobachtet den ersten magnetischen Sturm bereits im frühen 19. Jahrhundert, während er die Variationen eines magnetischen Kompasses untersuchte. Während dieser Untersuchungen registrierte er im Dezember 1806 starke Störungen im Verhalten des Kompasses und beobachtete in der folgenden Nacht Polarlichter. Der stärkste Magnetsturm, der bis jetzt registriert wurde, ereignete sich im September 1859. Er führte zu Polarlichtern, die selbst in Rom, Havanna und Hawaii beobachtet werden konnten. Er legte das weltweite Telegrafennetz lahm und aus elektrischen Leitungen sprühten die Funken. Würde sich ein geomagnetischer Sturm vergleichbarer Stärke heutzutage ereignen, hätte dies katastrophale Folgen für GPS- und Kommunikationssatelliten, sowie für das weltweite Stromnetz, was immense Kosten nach sich ziehen würde.

Im Jahr 1962 wurde im Rahmen einer Erkundungsmission zur Venus erstmals der Sonnenwind nachgewiesen. Seine Entstehung war damals jedoch noch ein Rätsel und sollte dies auch noch einige Zeit bleiben. Nach jahrelanger Forschung und Beobachtung wurde erst im Jahr 1991 mit Hilfe eines neuartigen Teleskops die Entdeckung koronaler Massenauswürfe gemacht und direkt mit den auf der Erde festgestellten Sonnenstürmen in Zusammenhang gebracht. In den Jahren 1989 in Nord-West-Kanada und 2003 in Südschweden wurden die letzten stärkeren Magnetstürme beobachtet, bei denen die Stromversorgung ganzer Landabschnitte ausgefallen war.

Entstehung

Die so genannten Sonnenflecken sind ein sichtbares Anzeichen für eine gewisse Aktivität auf der Sonne. Ihre Anzahl variiert in einem Rhythmus von etwa elf Jahren, was einen Rhythmus der generellen Aktivität auf der Sonne von einem ähnlichen Zeitrahmen vermuten lässt. Im Rahmen solcher Aktivität kommt es auf der Sonne zu von Ausbrüchen und Auswürfen, die unterschiedlich stark und intensiv sein können. Bei solchen Eruptionen oder koronalen Massenauswürfen entstehen Schockwellenfronten des Sonnenwindes, die, je nach Intensität, Auswirkungen auf das Magnetfeld der Erde haben können, da der Sonnenwind hauptsächlich aus Elektronen und Protonen besteht. Er wird durch Druckunterschiede in der Sonnenatmosphäre, der Korona, angetrieben. Er hat eine hohe Geschwindigkeit und ist nicht völlig gleichmäßig, sondern von Böen durchzogen. Trifft eine solche Bö die Erde, kann sie verschiedene Auswirkungen haben, die sich etwa 24 bis 36 Stunden nach der Eruption manifestieren und meist 24 bis 48 Stunden, in Einzelfällen jedoch auch mehrere Tage anhalten.

Eine solare Aktivität, die spektakulär zu beobachten ist, aber keine großen Auswirkungen auf die Erde hat, ist die so genannte eruptive Protuberanz. Dabei wird heißes Gas aus der Sonne gewirbelt und bildet in wenigen Stunden eine Gassäule, die dann über Monate, stabil an Magnetfeldlinien gebunden, über der Sonnenoberfläche stehen kann. Wird sie irgendwann instabil, kann Plasma mit mehreren Hundert Kilometern pro Sekunde von der Sonne weg geschleudert werden.

Ein koronaler Massenauswurf ähnelt einer eruptiven Protuberanz ist jedoch wesentlich heftiger. Es werden dabei bis zu zehn Milliarden Tonnen Plasma in blasenförmigen Auswürfen von der Sonne weggeschleudert und bei starker solarer Aktivität kann es zu mehren solcher Massenauswürfe pro Tag kommen. Treffen die Teilchen eines solchen Auswurfes das Magnetfeld der Erde, kann dadurch ein geomagnetischer Sturm ausgelöst werden, wodurch heftige Ströme in der Erdatmosphäre entstehen, die ihrerseits Spannungsschwankungen in Stromnetzen hervorrufen.

Auswirkungen

Die Auswirkungen von Sonnenstürmen oder magnetischen Stürmen können vielfältig sein. Am auffälligsten ist sicherlich das Auftreten von Polarlichtern in gemäßigten Zonen. Darüber hinaus können Schäden an Satelliten verursachen werden und Stromnetze und lange Überlandleitungen durch Induktion beachtlicher Ströme überlastet und zum Zusammenbruch gebracht werden. Weiterhin können große Mengen solarer, elektrisch geladener Teilchen mit Erdmagnetfeld in Wechselwirkung treten, Ströme in der Ionosphäre hervorrufen und starke, rasche Schwankungen der Stärke und Richtung des Erdmagnetfeldes verursachen und damit auch die Ausbildung des Van-Allen-Gürtels beeinflussen. Dadurch sind die Lebewesen in den Polregionen, welche am stärksten betroffen sind, bei starken Magnetstürmen einer erhöhten, radioaktiven, kosmischen Strahlung ausgesetzt.

Weltraumwettervorhersage und Frühwarnsysteme

Der größte Traum der Solarforscher ist es, Ausbrüche zuverlässig vorhersagen zu können und auf diese Weise eine Art Frühwarnsystem in der Hand zu haben, um den Satelliten- und Stromnetzbetreibern auf der Erde eine möglich lange Vorwarnzeit zu gewährleisten. Um dies zu ermöglichen, untersuchen sie intensiv das Magnetfeld der Sonne, da sie dort den Schlüssel zur Entstehung der Sonneneruptionen sehen. Im Rahmen der Untersuchungen werden vom Sonnenobservatorium SOHO pro Jahr mehrere Tausend Massenauswürfe aufgezeichnet. Das Problem dabei besteht jedoch darin, dass sich die Sonde zwischen Sonne und Erde befindet und daher den Teilchenbeschuss, der genau in Richtung Erde geht, nur als Prasseln im Detektor wahrnimmt. Diese Sonneneruptionen sind jedoch von großem Interesse, da von ihnen die geomagnetischen Stürme auf der Erde ausgelöst werden können.

Seit 2007 können Wissenschaftler endlich die Entstehung von Massenauswürfen auf der Sonne beobachten und ihren Weg zur Erde verfolgen. Möglich macht dies das Zwillingssondenpaar der STEREO-Mission, welches die Massenauswürfe aus zwei verschiedenen Perspektiven anvisiert, ein dreidimensionales Modell erstellt und auf diese Weise wichtige Details über den Sonnensturm offenbart. Um einen regelmäßigen und verlässlichen Weltraumwetterdienst mit entsprechender Frühwarnung sicherzustellen genügen die beiden Sonden SOHO und STEREO jedoch bei weitem nicht. Selbst mit der Unterstützung der kürzlich gestartete Sonde SDO ist ein Weltraumwetterdienst nicht möglich, zumal es sich bei den Sonden um Forschungssatelliten handelt, die grundlegende Fragen untersuchen sollen. Für einen verlässlichen Weltraumwetterdienst wäre eine ganze Flotte von Überwachungssonden nötig.

Prognosen

Laut Expertenmeinungen soll es auch in den kommenden Jahren immer wieder zu Beeinträchtigungen kommen. Der Höhepunkt der solaren Aktivität, so vermuten Wissenschaftler, soll im Jahr 2013 erreicht werden und es wird geraten, dass sich die Länder frühzeitig auf „potenziell verheerende Auswirkungen“ einstellen. Es wäre im Grunde nicht fraglich, ob, sondern lediglich wann es dazu kommt, dass ein größerer Sonnensturm die Erde trifft.

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