Sonnenstürme: Das wird heiß!

Autor: Timothy Ferris  —  Bilder: NASA SDO

Am Donnerstag, dem 1. September 1859, stieg Richard Carrington, ein 33-­jähriger Brauer und Amateurastronom, in der Nähe von London die Treppen zu seiner privaten Sternwarte hinauf. Es war ein strahlender Morgen. Carrington öffnete die Kuppel, richtete sein Teleskop aus und projizierte das Bild der Sonne auf einen Schirm. Er zeichnete gerade Sonnenflecken nach, da erschienen inmitten dieser Flecken «zwei intensiv gleißende Lichtpunkte»

Im Londoner Kew­-Observatorium begann kurz darauf die Nadel eines Magnetometers, die an einem Seidenfaden von der Decke hing, wie wild zu tanzen. Am folgenden Morgen leuchteten rote, grüne und violette Polarlichter am Himmel, die sogar noch weit im Süden, in Hawaii und Panama, Aufsehen erregten. In den Rocky Mountains sollen zeltende Männer das Licht für den Sonnenaufgang gehalten und sich Stunden zu früh das Frühstück gemacht haben. Manche Menschen dachten, ihre Stadt würde brennen.

Carrington hatte eine gewaltige Eruption auf der Sonne beobachtet. Bei so einem Ausbruch werden Milliarden Tonnen elektrisch geladener Teilchen Richtung Erde geschleudert. Als diese unsichtbare Welle auf das Magnetfeld unseres Planeten traf, erzeugte sie elektrische Ströme, die mehrere Telegrafenstationen lahmlegten. Es gibt Geschichten, wonach Beamte ihre Batterien abgeklemmt und Telegramme allein mit geomagnetischen Elektrizität weitergeleitet haben. «Wir arbeiten ausschließlich mit dem Strom der Aurora Borealis», soll ein Telegrafenbeamter seinem Kollegen in einer anderen Stadt mitgeteilt haben. «Wie kommt mein Schreiben an?» Die Antwort: «Viel besser als sonst mit Batterien.»

Die Betreiber der heutigen Kommunikations­ und Stromnetze wären bei einem ähnlichen Ereignis wohl weniger optimistisch. Zwar hat es seit 1859 keinen so starken Sonnensturm mehr gegeben, und deshalb lässt sich schwer schätzen, welche Folgen er in unserer Hightech­Welt hätte. Eine Vorstellung, was geschehen könnte, liefert der Stromausfall in der kanadischen Provinz Quebec am 13. März 1989: Ein Sonnensturm, der ungefähr ein Drittel der Stärke von 1859 hatte, brachte die Stromversorgung von sechs Millionen Menschen zum Erliegen. Ein Sturm wie das Carrington­Ereignis, befürchten manche, könnte mehr Transformatoren durchschmoren lassen, als die Energiekonzerne in Reserve haben. Im schlimmsten Fall wären Millionen Menschen monatelang ohne Licht, Heizung, Trinkwasser, funktionierende Kühl­ schränke und Telefon. Nach einer Schätzung der amerikanischen Academy of Sciences könnte ein solcher Supersturm einen wirtschaftlichen Schaden in Billionenhöhe verursachen.

Seit kurzem hat im Elfjahreszyklus der Sonne eine neue Aktivitätsphase begonnen, aber «wir können höchstens ein paar Tage im Voraus sagen, was die Sonne machen wird», sagt Karel Schrijver vom Labor für Solar­ und Astrophysik der Firma Lockheed Martin im kalifornischen Palo Alto. Im Februar und März dieses Jahres zwangen kleinere Eruptionen einige Flugzeuge auf der Route über den Nordpol, Umwege zu fliegen. Fernsehnachrichten und Zeitungen brachten Bilder von hübschen grünen Polarlichtern über Schweden und Schottland. Die Institute, die das Weltraumwetter beobachten, stellten zusätzliches Personal ein – und hoffen das Beste. «Es ist wie mit den Erdbeben in San Francisco», sagt Schrijver. «Wir wissen, das etwas kommen kann. Aber wir wissen nicht, wann und wie schlimm es sein wird. Trotzdem müssen wir versuchen, uns darauf vorzubereiten.»

Kaum etwas ist uns so vertraut wie die Sonne – und gleichzeitig so fremd. Durch ein Teleskop betrachtet, verwandelt sich die gelbe Scheibe in ein dynamisches Wunderland: Überall brodelt es, Feuerbögen steigen aus der Oberfläche auf und fallen wieder zurück, dunkle Sonnenflecken erscheinen und verschwinden wieder. Die Sonne besteht weder aus fester Materie noch aus Flüssigkeiten oder Gasen, sondern aus Plasma, dem „vierten Aggregatzustand“. Plasma bildet sich, wenn die Atome in Protonen und Neutronen zerlegt sind. Die geladenen Teilchen machen es zu einem elektrischen Leiter der Superklasse. Außerdem ist die Sonne voller Magnetfelder. Die meisten von ihnen verlaufen innerhalb, aber manche ragen über die Oberfläche hinaus und zeigen sich als Sonnenflecken. Dieser Magnetismus dirigiert den wabernden Tanz in der Sonnenatmosphäre. Er ist die Triebkraft des Sonnenwindes, der in jeder Sekunde eine Million Tonnen Plasma ins All schleudert, 700 Kilometer pro Sekunde schnell.

Dabei ist die Sonne ein ganz und gar gewöhnlicher Stern. In ihrem Kern ist sie 15 Millionen Grad heiß. In jeder Sekunde fusionieren hier 700 Millionen Tonnen Protonen zu Helium­ Atomkernen. Dabei wird zehn Milliarden mal so viel Energie frei wie bei der Zündung der ersten Wasserstoffbomben. Die Sonne dehnt sich aus, wenn die Fusion sich verstärkt, und zieht sich zusammen, wenn sie wieder nachlässt. Andere Rhythmen überlagern diesen Puls, vom Elfjahreszyklus der Sonnenflecken bis zu Perioden, die Jahrhunderte überspannen.

Die bei der Fusion im Innern der Sonne erzeugte Energie wird von Photonen allmählich nach außen transportiert. Die Materie ist hier so dicht, dass es mehr als 100.000 Jahre dauert, bis die Photonen zwei Drittel des Weges zur Sonnenoberfläche zurückgelegt haben. Dann geht es schneller: Nach etwa einem weiteren Monat treten sie in die Photosphäre ein, den Teil der Sonne, den wir sehen. Von dort brauchen sie nur noch acht Minuten, bis sie als Sonnenlicht die Erde erreichen. So weit, so alltäglich.

Für Eruptionen auf der Oberfläche, die Sonnenstürme verursachen, kommt noch etwas hinzu. Prinzipiell funktioniert die Sonne wie ein riesiger Dynamo: Sie ist von Pol zu Pol von magnetischen Feldlinien umgeben. Außerdem gibt es lokale Feldlinien, die mit dem Plasma der Konvektionszone verflochten sind. Das ist jener Bereich zwischen dem dichten Kern und der sichtbaren Oberfläche, in dem große Temperaturunterschiede das Plasma ständig auf­ und absteigen lassen. Hier drehen und winden sich die Feldlinien, und ab und zu durchstoßen sie die Oberfläche, wo sie Schleifen und Bögen bilden, die durch das leuchtende Plasma sichtbar werden. Wenn solche Schleifen sich überkreuzen, kann es zum Kurzschluss kommen: Die Folge sind gigantische Plasma­Explosionen. Sie schleudern Röntgen­ und Gammastrahlen in den Weltraum und beschleunigen geladene Teilchen fast bis auf Lichtgeschwindigkeit.

Bei dem 1859 von Carrington beobachteten Ereignis handelte es sich um eine so starke Sonneneruption, dass sie gleich einen zweiten Ausbruch bewirkte. Die Teilchen des ersten Sturms erreichten die Erde vermutlich nach der normalen Zeitspanne von 40 bis 60 Stunden. Dabei bahnten sie einen Weg durch den Sonnenwind, auf dem die Teilchen der zweiten Welle die Strecke in nur 17 Stunden zurücklegten. Diese doppelte Front drückte die Hülle des Magnetfelds rund um die Erde aus ihrer normalen Höhe von etwa 60.000 Kilometern auf 7.000 Kilometer hinab. Geladene Teilchen drangen in die obere Atmosphäre ein und erzeugten Polarlichter über weiten Teilen der Erde.

Ein Ausbruch der Carrington­Klasse ereignet sich vermutlich nur alle paar Jahrhunderte. Aber schon viel kleinere Sonnenstürme können heute beträchtliche Schäden anrichten, weil die Menschen immer stärker auf Technik angewiesen sind, die im Weltraum stationiert ist.


Sonnenstürme stören die Ionosphäre, eine Atmosphärenschicht mehr als hundert Kilometer über der Erdoberfläche. Die Piloten der rund 11.000 Passagierflüge, die jedes Jahr die Nordpolarregion überqueren, sind dort auf den Kurzwellenfunk angewiesen, denn die Kommunikationssatelliten sind über dem Äquator stationiert und erreichen die Polarregion nicht. Doch wenn das Weltraumwetter die Ionosphäre aufwühlt, beeinträchtigt dies den Kurzwellenfunkverkehr, und die Piloten müssen ihren Kurs ändern. Das kann für einen einzigen Flug bis zu 80.000 Euro kosten. Auch die Signale von Navigationssatelliten werden durch das Durcheinander in der Ionosphäre gestört. Landvermesser können dann Feierabend machen, schwimmende Ölplattformen haben es schwer, ihre Position zu halten, Piloten dürfen sich nicht mehr auf ihr Navigationssystem verlassen.

Sogar die Umlaufbahnen der Satelliten werden durch das UV­Licht der Sonneneruptionen beeinträchtigt: Es heizt die Atmosphäre so sehr auf, dass der Luftwiderstand zunimmt. Nach Schätzungen der Nasa verliert die Internationale Raumstation „ISS“ bei verstärkter Sonnenaktivität jeden Tag rund 300 Meter Höhe. Und nicht zuletzt legen Sonnenstürme auch die Elektronik von Kommunikationssatelliten lahm – katastrophal für eine Welt, deren Wirtschaft und Gesellschaftsleben ohne Handys kaum mehr denkbar ist.

Auch die meisten Stromnetze sind gegen die Folgen heftiger Ausbrüche auf der Sonne nicht gefeit. Da große Transformatoren geerdet sind, können starke geomagnetische Stürme Ströme hervorbringen, durch die sich die Apparate überhitzen, in Brand geraten oder explodieren. Die Schäden können unabsehbare Ausmaße annehmen. Bei der Agentur Storm Analysis Consultants analysiert John Kappenman die Auswirkungen des Weltraumwetters auf das Stromnetz. Nach seiner Einschätzung würde ein Sonnensturm wie im Mai 1921 – einer der stärksten im 20. Jahrhundert – heute die Lichter in halb Nordamerika ausgehen lassen. Ein zweites Carrington­Ereignis wie jenes von 1859 könnte das gesamte Netz lahmlegen und viele hundert Millionen Menschen auf Wochen oder gar Monate zurück in eine vorindustrielle Lebensweise katapultieren. Aber wann so ein Sturm ausbricht, kann niemand sagen. Oder, wie Kappenman es formuliert: «Wir spielen russisches Roulette mit der Sonne.»

Immerhin nicht Blindekuh. Heute beobachten Wissenschaftler unser Heimatgestirn mit einem ganzen Arsenal von Satelliten. Dazu gehört die altehrwürdige Raumsonde „ACE“, die 1997 ins All geschossen wurde und immer noch funktioniert, genauso wie das Sonnen­ und Heliosphärenobservatorium „Soho“, das mit einem Dutzend Detektoren an Bord alles auf­ zeichnet, von den schnellen Protonen des Sonnenwindes bis zum langsamen Pulsieren der Sonne selbst. Die Nasa­Zwillingssonden „Stereo A“ und „B“ können gemeinsam dreidimensionale Bilder der Sonne aufnehmen. Und das „Solar Dynamics“­Observatorium liefert jeden Tag 1,5 Terabyte an Daten über die Atmosphäre, die Oszillation und das Magnetfeld der Sonne.

Und dennoch: «Beim Weltraumwetter sind wir heute da, wo wir beim Wetter auf der Erde vor 50 Jahren waren», sagt der Physiker Douglas Biesecker vom Vorhersagezentrum der amerikanischen Wetterbehörde NOAA in Colorado.

Die Auswirkungen eines Sonnensturms hängen unter anderem davon ab, wie seine Magnetfeldlinien im Verhältnis zum Magnetfeld der Erde ausgerichtet sind. Daher können die Astronomen erst dann gesicherte Aussagen über seine Heftigkeit machen, wenn er den „ACE“­Satelliten erreicht – und dann trifft er manchmal schon 20 Minuten später auf die Erde.

Zurzeit konzentrieren sich die Wissenschaftler deshalb darauf, die Stärke eines Sturms und seine mutmaßliche Ankunftszeit vorherzusagen, damit empfindliche Systeme vorbereitet werden können. Im Oktober 2011 nahm die NOAA ein neues Computermodell in Betrieb: „Enlil“, benannt nach dem sumerischen Gott des Windes. Es kann auf sechs Stunden genau – doppelt so gut wie frühere Modelle – voraus­ sagen, wann ein Sonnensturm die Erde treffen wird. Das Verfahren ist sehr komplex, weil die heranrasenden Teilchen stark mit dem normalen Sonnenwind interagieren. Das macht ihren Flug so unberechenbar wie den Lauf einer Kugel im Flipperautomaten. Doch trotz aller Unsicherheiten lag „Enlil“ mit seiner Sturmvorhersage für den 8. März dieses Jahres nur um 45 Minuten daneben. Es war kein schlimmer Sturm, aber nächstes Mal haben wir vielleicht weniger Glück. «Wir befinden uns erst im ansteigen­ den Teil der Aktivität dieses Sonnenzyklus», sagt Werner Curdt vom Max­Planck­Institut in Katlenburg­Lindau. «Bis 2014 oder 2015 kann da noch einiges kommen.»

«Ein Supersturm, der eine echte Gefahr für die Erde wäre, ist in diesem Sonnenzyklus noch nicht aufgetreten», bestätigt Biesecker, «aber eines wissen wir nun: Wenn er sich anbahnt, werden wir ihn vorhersagen können.»

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(NG, Heft 07 / 2012, Seite(n) 74 bis 89)

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