09.03.2020

Wie man Sonnenstürme zähmt

Das Weltraumwetter kann auf der Erde mitunter zu Problemen führen, die Prognosen sind derzeit aber mit großen Unsicherheiten behaftet. Ein Forschungsteam der ÖAW möchte das ändern.

© Solar Dynamics Observatory, NASA

Die Sonne stößt ständig geladene Teilchen aus, die großteils vom Erdmagnetfeld abgehalten werden. Dieser Teilchenstrom, der Sonnenwind, ist aber nicht gleichmäßig. Sogenannte koronale Massenauswürfe (coronal mass ejections oder CMEs), im allgemeinen Sprachgebrauch auch Sonnenstürme genannt, lassen die Teilchendichte mitunter stark ansteigen. Ein großer Sonnensturm könnte, wenn er die Erde trifft, zu Ausfällen in Stromnetzen, GPS-Systemen oder Satelliten führen.

Ein heftiger geomagnetischer Sturm kann elektronische Systeme zerstören oder auch Satelliten abbremsen.

“CMEs sind die stärkste Komponente des Weltraumwetters. Die geladenen Teilchen wechselwirken mit dem Erdmagnetfeld und können geomagnetische Stürme verursachen. Ein heftiger geomagnetischer Sturm kann elektronische Systeme zerstören oder auch Satelliten abbremsen, weil er die Atmosphäre aufheizt, die sich dann weiter ins All ausdehnt und somit den Strömungswiderstand erhöht”, erklärt Tanja Amerstorfer, Physikerin am Institut für Weltraumforschung der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).

Unterschätzte Gefahr

Der bisher stärkste belegte Sonnensturm, das sogenannte Carrington-Event, fand 1859 statt. “Damals kam es zu Schäden am Telegraphennetz und Polarlichter waren bis in die Breiten von Hawaii zu sehen. Würde das heute passieren, wären die Konsequenzen durch den höheren Technisierungsgrad wohl drastischer. Solche schweren Sonnenstürme treffen die Erde statistisch gesehen etwa alle 100 Jahre”, sagt Amerstorfer. Vor diesem Hintergrund versuchen Forscher/innen, Prognosen für das Weltraumwetter zu erstellen. Das ist allerdings alles andere als trivial.

Erst 2012 hat ein besonders starker Sonnensturm die Erde nur knapp verfehlt.

“Die Genauigkeit lässt leider noch zu wünschen übrig. Derzeit kann man die Ankunft eines Sonnensturms, der für den Weg von der Sonne zur Erde etwa ein bis drei Tage braucht, mit einem mittleren absoluten Fehler von 10 Stunden prognostizieren. Es gibt aber oft auch Fehlalarme”, erläutert Amerstorfer. Wenn ein Sonnensturm erwartet wird, müssen manchmal Flugrouten geändert werden, weil der Bereich um die Pole der Erde besonders stark betroffen ist. Stromnetze und andere gefährdete Infrastruktur können in der Regel aber nicht einfach abgestellt werden. "Erst im Jahr 2012 hat ein besonders starker Sonnensturm die Erde nur knapp verfehlt", so die Physikerin.

Komplexere Modelle

Gemeinsam mit ihrem Team versucht Amerstorfer, neue Modelle zu entwickeln, die eine genauere Vorhersage der Geschwindigkeit und Ankunftszeit von Sonnenstürmen ermöglichen sollen. “Wir müssen neben Größe, Form und Richtung auch die Ausrichtung des Magnetfeldes innerhalb des Sonnensturms berücksichtigen. Wenn eine starke Südkomponente vorhanden ist, sind die Wechselwirkungen mit dem Erdmagnetfeld deutlich stärker”, erklärt Amerstorfer. Derzeit sind die Forscher/innen für ihre Modelle auf die Daten von NASA-Satelliten angewiesen. Die meisten CME-Vorhersagemodelle basieren auf Bildern von Koronographen, die den äußersten Bereich der Sonne, die Korona, beobachten und dabei nur einen sehr kleinen Teil der Ausbreitung eines CMEs sichtbar machen.

Unser Modell nutzt Daten von Weitwinkelkameras, die einen Sonnensturm aus einer Seitenansicht auf ihrem Weg bis zur Erde verfolgen können.

"Das besondere an unserem Modell ist, dass es Daten von Weitwinkelkameras nutzt, die einen Sonnensturm aus einer Seitenansicht auf seinem Weg bis zur Erde verfolgen können", erklärt Amerstorfer. Das verwendete Modell basiert auf einer zweidimensionalen Repräsentation der CME-Front und geht von einer Ellipsenform innerhalb der Ekliptik aus. Das ist allerdings eine starke Vereinfachung, genau wie die Annahme, dass der Sonnenwind, in dem sich Sonnenstürme bewegen, gleichförmig ist.

In Zukunft soll es in diesem Modell möglich sein, dass sich die CME-Front durch die Interaktion mit dem strukturierten Hintergrundsonnenwind verformen kann, was eine realistischere Beschreibung der Ausbreitung und Entwicklung von Sonnenstürmen ermöglichen soll. “Wir wissen derzeit nicht, ob die Vorhersagen durch das Miteinbeziehen zusätzlicher Details viel besser werden, aber genau das wollen wir herausfinden”, sagt Amerstorfer. In Zukunft könnten Daten einer geplanten Weltraumwettermission der europäischen Raumfahrtbehörde ESA die Echtzeitvorhersage dann noch exakter machen. “Eine Ungenauigkeit in der Vorhersage der Ankunftszeit von +/- 8 Stunden scheint realistisch”, sagt die Weltraumforscherin der ÖAW.

 

AUF EINEN BLICK

Tanja Amerstorfer ist Physikerin am Institut für Weltraumforschung der ÖAW in Graz. Dort leitet sie das vom Wissenschaftsfonds FWF geförderte Projekt “Predicting solar storm arrivals at Earth”. Forschungsfragen zu Sonnenstürmen begleiten Amerstorfer bereits seit ihrer Diplom- und Doktorarbeit an der Universität Graz. Mehr zum Thema Sonnenstürme und Magnetosphären gibt es auf der Website der ÖAW-Weltraumforschung zu entdecken.