Das Raumschiff geriet außer Kontrolle und die Raumstation stürzte ab. Der „Schuldige“ dahinter war, wie sich herausstellte, …

Das Weltraumwetter wird durch die Sonnenaktivität gesteuert. Die bei Sonneneruptionen erzeugten elektromagnetischen Wellen, energiereichen Teilchen und das Hochgeschwindigkeitsplasma breiten sich durch den interplanetaren Raum aus und erreichen die Erde. Dabei verursachen sie eine Reihe drastischer Veränderungen in der Magnetosphäre, Ionosphäre und mittleren und oberen Atmosphäre der Erde, was wiederum zu extremem Weltraumwetter führt. Tatsächlich hat das Weltraumwetter, also das Wetter mit Sonne, Regen und Schnee, mit der Zunahme der Weltraumaktivitäten und der Popularisierung der damit verbundenen Anwendungen einen immer größeren Einfluss auf das normale Funktionieren der menschlichen Gesellschaft. Gleichzeitig kann das Weltraumwetter auch verheerende Auswirkungen auf die Stromnetze haben, was wiederum fatale Folgen für die Infrastruktur haben kann, von der die Gesellschaft abhängt.

Solare hochenergetische Teilchen stellen eine enorme Bedrohung für die Satellitensicherheit dar

Der unsichtbare Killer von Raumfahrzeugen

Im Mai 1991 geriet der Satellit Fengyun-1B meines Landes, der erst seit einem halben Jahr im Weltraum war, plötzlich außer Kontrolle und überschlug sich. Als die Fluglotsen das Problem entdeckten und Maßnahmen ergriffen, war der Treibstoff des Satelliten bereits versprüht. Der Satellit, dessen Lebensdauer auf ein Jahr ausgelegt war, musste bereits nach einem halben Jahr vorzeitig verschrottet werden. Zwischen Oktober und November 2003 verlor der japanische Erdbeobachtungssatellit ADEOS-2 den Kontakt zur Erde und wurde verschrottet. Auch eine wissenschaftliche Nutzlast der Sonde Mars Odyssey weit entfernt auf dem Mars fiel unerwartet aus und konnte nicht geborgen werden. Auch viele andere Satelliten verließen ihren normalen Betrieb und wechselten in den Sicherheitsmodus, um Risiken zu vermeiden. Ursache dafür sind hochenergetische Teilchen der Sonne und heißes Plasma in Erdnähe. Bei extremen Weltraumwetterbedingungen treten diese sehr häufig auf und stellen eine Bedrohung für die Sicherheit von Raumfahrzeugen dar.

Es gibt zwei Hauptquellen für hochenergetische Teilchen von der Sonne. Eine davon ist die Sonneneruption. Die durch dieses Phänomen der schnellen Energiefreisetzung auf der Sonnenoberfläche erzeugten hochenergetischen Teilchen benötigen oft nur einige zehn Minuten, um die Erde zu erreichen, und die Dauer der Bombardierung der Erde beträgt zwischen einigen Stunden und einigen Tagen. Bei der anderen handelt es sich um eine mit hoher Geschwindigkeit aus der Sonne ausbrechende Plasmamasse, die von Weltraumwetterforschern als „koronaler Massenauswurf“ bezeichnet wird. Wenn sich ein koronaler Massenauswurf in Richtung Erde ausbreitet, drückt und quetscht er das Plasma im interplanetaren Raum, das seinen Vormarsch blockiert, und erzeugt eine interplanetare Stoßwelle, die sich zusammen mit ihm vorwärts ausbreitet. Interplanetare Stoßwellen dienen als Beschleuniger für die Produktion hochenergetischer Teilchen. Wenn die interplanetaren Stoßwellen die Erde erreichen, führen sie zu einer Zunahme des Flusses hochenergetischer Teilchen in Erdnähe. Gleichzeitig können koronale Massenauswürfe geomagnetische Stürme auslösen, die heißes Plasma in das Magnetosphärensystem der Erde injizieren.

Ein Sonneneruptionsereignis

Bei den mikroelektronischen Komponenten von Raumfahrzeugen ist der energiereichere Teil der hochenergetischen Teilchen am gefürchtetsten. Diese hochenergetischen Partikel können in elektronische Komponenten eindringen und dort Datenfehler, Funktionsstörungen der Schaltkreise oder Computerausfälle verursachen, Satellitenanomalien oder -ausfälle auslösen oder den Satelliten sogar vollständig zerstören. Hochenergetische Teilchen mit relativ geringer Energie können zu Ladungsansammlungen in Leiterplatten, Kabeln und anderen Stellen im Raumfahrzeug führen und so den normalen Betrieb des Raumfahrzeugs behindern. Obwohl die Energie einzelner Teilchen eines thermischen Plasmas nicht so hoch ist wie die von hochenergetischen Teilchen und sie nicht in das Innere eines Raumfahrzeugs eindringen können, löst ihre Ansammlung auf der Oberfläche eines Raumfahrzeugs ebenfalls Auf- und Entladungseffekte an der Oberfläche aus, die den normalen Betrieb des Raumfahrzeugs stören und sogar Schäden verursachen können.

Auch für Astronauten, die im Weltraum arbeiten, stellen hochenergetische Teilchen eine ernsthafte Bedrohung für Leben und Gesundheit dar. Wenn Astronauten keine umsichtigen Schutzmaßnahmen ergreifen, die auf der Stärke des hochenergetischen Teilchenflusses zu dem Zeitpunkt basieren, an dem Sonnenstürme wie Flares und koronale Massenauswürfe auf die Erde einwirken, können sie einer Strahlendosis ausgesetzt sein, die das empfohlene Maß überschreitet. Während der anhaltenden Sonnenstürme von Oktober bis November 2003 wechselten die Astronauten der Internationalen Raumstation in besser geschützte Module, um Gefahren zu entgehen.

Polarlichter sind ein Geschenk der Sonnenstürme an die Erde, doch eine starke Polarlichtaktivität bedeutet auch ein erhöhtes Risiko für das Stromnetz.

Der Schuldige für den vorzeitigen Absturz der Raumstation

Die Dichte der Erdatmosphäre nimmt mit zunehmender Höhe rapide ab und ist in einer Höhe von mehreren hundert Kilometern im LEO-Orbit bereits recht dünn. Für Hochgeschwindigkeitsraumfahrzeuge ist der Luftwiderstand hier jedoch immer noch nicht vernachlässigbar. Wenn die Triebwerke nicht aktiv genutzt werden, um die Umlaufbahn aufrechtzuerhalten, verschlechtert sich die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs weiter, die Umlaufbahnhöhe sinkt immer weiter und schließlich wird es zu einem Absturz kommen. Die durch Sonneneruptionen erzeugte elektromagnetische Strahlung und die Erwärmung der mittleren und oberen Atmosphäre durch geomagnetische Stürme, die durch koronale Massenauswürfe verursacht werden, werden die atmosphärische Dichte in der LEO-Umlaufbahn über das Normalmaß hinaus erhöhen. Unter diesem Einfluss muss das Raumfahrzeug zusätzliche Bahnwartungsarbeiten durchführen, da es sonst zu unerwarteten Ereignissen kommen kann.

Der vorzeitige Absturz des US-amerikanischen Skylab ist das typischste Beispiel für diesen Effekt. Skylab war die erste Generation von Weltraumlaboren in den Vereinigten Staaten. Nach den Plänen der NASA sollte die 1973 gestartete Raumstation bis in die 1980er Jahre in Betrieb sein und gemeinsam mit dem Space Shuttle Weltraumexperimente durchführen. Allerdings lagen die Vorhersagen der NASA zur Sonnenaktivität Mitte der 1970er Jahre falsch und sie ignorierte Warnungen paralleler Regierungsbehörden wie der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Beim letzten Apollo-Besuch bei Skylab gab es nicht genügend orbitale Unterstützung für Skylab. Unter dem Einfluss immer häufiger auftretender Sonnenstürme kam es weiterhin zu geomagnetischen Stürmen und die Dichte der oberen Atmosphäre in der Umlaufbahn von Skylab nahm zu, was zu einem unkontrollierten Abfall der Umlaufbahn führte. Gleichzeitig befand sich die bemannte Raumsonde der USA in einer Übergangsphase: Die Forschung, Entwicklung und Erprobung des Space Shuttles waren noch nicht abgeschlossen und das Apollo-Raumschiff war außer Dienst gestellt worden. Den Vereinigten Staaten gelang es nicht, ein Raumschiff zur Rettung von Skylab zu starten, was schließlich 1979 zu dessen vorzeitigem Untergang führte.

Skylab

Darüber hinaus wird es aufgrund der Auswirkungen des Weltraumwetters schwieriger, die Dichte der mittleren und oberen Atmosphäre vorherzusagen. Bei Vorgängen wie Rendezvous und Andocken, die eine präzise Bahnsteuerung erfordern, kann die tatsächliche Flugbahn des Flugzeugs erheblich von der vorhergesagten Umlaufbahn abweichen, wenn der tatsächliche Wert der atmosphärischen Dichte erheblich vom vorhergesagten Wert abweicht, und die kontinuierliche Korrektur der Umlaufbahn bis zum Abschluss des Andockens dauert länger.

Störquellen bei der Satellitenortung und im Funkverkehr

Im Bereich von 60 bis 1000 Kilometern über dem Boden befindet sich eine Ionosphäre aus geladenen Teilchen. Ob Funksignale die Ionosphäre durchdringen können und wie sich die Signalparameter beim Durchdringen der Ionosphäre ändern, hängt alles von den Eigenschaften der Ionosphäre ab. Beispielsweise können Kurzwellensignale Kontinente überqueren, indem sie die Reflexion von Radiosignalen in diesem Frequenzband durch die Ionosphäre ausnutzen. Wenn jedoch die Erde mit Satelliten kommuniziert, müssen Hochfrequenzsignale verwendet werden, die die Ionosphäre durchdringen können. Die Eigenschaften der Ionosphäre werden hauptsächlich durch die Sonnenaktivität beeinflusst. Wenn es zu einer Sonneneruption kommt, ändern sich die Eigenschaften der Ionosphäre unmittelbar im Zuge der Eruption. Wenn ein koronaler Massenauswurf die Erde trifft, führt der dadurch verursachte geomagnetische Sturm auch zu Veränderungen der Eigenschaften der Ionosphäre.

Wenn Bodengeräte Positionssignale von Satellitenortungssystemen wie Beidou und GPS empfangen und daraus Standortinformationen berechnen, werden dabei die allgemeinen Eigenschaften der Ionosphäre bereits berücksichtigt. Sobald sich die Eigenschaften der Ionosphäre aufgrund des Weltraumwetters ändern, weichen die tatsächlichen Änderungen des Positionierungssignals von den voreingestellten Bedingungen im Gerät ab und die Positionierungsgenauigkeit des Positionierungsgeräts nimmt ab. Da bei der Positionsbestimmung von Mobiltelefonen im Alltag keine hohen Anforderungen an die Positionsgenauigkeit gestellt werden und mithilfe der Position der Mobiltelefon-Basisstation eine schlechte Positionsbestimmung durchgeführt werden kann, sind die Auswirkungen des Weltraumwetters nicht offensichtlich spürbar. Bei hochpräzisen Feldoperationen wie Richtbohrungen und der neuen Generation von Flugnavigations- und Instrumentenlandesystemen mit GPS reicht die durch ionosphärische Veränderungen verursachte Verringerung der Positionierungsgenauigkeit jedoch aus, um ihre normale Arbeit zu beeinträchtigen.

Im Jahr 2001 wurde der Funkverkehr unserer Truppen bei der Suche nach dem Vorfall der chinesisch-amerikanischen Flugzeugkollision plötzlich für zwei Stunden unterbrochen, was gewisse Auswirkungen auf die Such- und Rettungsarbeiten hatte. Nach einer Analyse durch Experten wurde festgestellt, dass die Ursache dieses Problems die durch Sonnenstürme verursachten Veränderungen der Ionosphäre waren. Obwohl die Funkübertragung über große Entfernungen für den Normalbürger im Alltag nicht mehr möglich ist, ist diese von der Ionosphäre beeinflusste Kommunikationsmethode im Militär und einigen anderen Berufsfeldern noch immer unersetzlich. Für Abteilungen, die Funkverbindungen über große Entfernungen nutzen, sind die Weltraumwetterbedingungen eine wichtige Information.

Sonnenstürme sprengen die Magnetosphäre, die durch das Magnetfeld der Erde gebildet wird

Der Mann hinter der Zerstörung des Hochspannungsnetzes

Während des Vietnamkriegs legte das US-Militär zahlreiche Minen, um die vietnamesischen Häfen zu blockieren. Eines Tages im Jahr 1967 explodierten plötzlich vierzig in den Gewässern nahe Fangchenggang in Vietnam ausgelegte US-Minen, ohne dass ein Schiff vorbeikam. Die durch die Explosion ausgelöste Kettenreaktion führte schließlich zur Detonation von mehr als 4.000 Minen.

Die Explosion dieser Minen war kein „Meisterwerk“ vietnamesischer Agenten, sondern wurde durch Veränderungen des Erdmagnetfelds infolge koronaler Massenauswürfe verursacht. Das im koronalen Massenauswurf mitgeführte Sonnenmagnetfeld kann bei richtiger Richtung die Magnetlinien des Erdmagnetfelds „schneiden“, Plasma in das Erdmagnetfeldsystem injizieren und die Magnetlinien des Erdmagnetfelds von der sonnenzugewandten Seite auf die sonnenabgewandte Seite ziehen. Während dieses Prozesses wird das gesamte Magnetfeld der Erde drastische Veränderungen erfahren. Weltraummeteorologen nennen dieses Phänomen einen „geomagnetischen Sturm“. Die Minen des US-Militärs nutzen die durch vorbeifahrende Schiffe verursachten Veränderungen des Magnetfelds, um feindliche Schiffe zu erkennen. Sobald die Geschwindigkeit der Magnetfeldänderung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, detonieren sie. Wenn jedoch ein geomagnetischer Sturm auftritt, verwechseln die Minen die durch den geomagnetischen Sturm verursachten Magnetfeldänderungen mit Magnetfeldänderungen, die durch ein vorbeifahrendes Schiff verursacht werden, und explodieren daher.

Kombinierte Beobachtung eines koronalen Massenauswurfs mit verschiedenen Wellenlängen

Die größere Bedrohung, die geomagnetische Stürme für die heutige Gesellschaft darstellen, sind die Schäden, die sie an den Stromnetzen verursachen können. Die durch geomagnetische Stürme verursachten drastischen Veränderungen des Magnetfelds können in Hochspannungsleitungen über große Entfernungen starke geomagnetisch induzierte Ströme erzeugen und so eine instabile Stromversorgung oder einen vollständigen Zusammenbruch des Stromnetzes verursachen. Der geomagnetische Sturm im März 1989 legte das Stromnetz im kanadischen Quebec lahm und Millionen Menschen verbrachten kalte Nächte ohne Strom. Wenn ein stärkerer Sonnensturm zuschlägt und die großen Kerntransformatoren des Stromnetzes durchbrennt, wird das Stromnetz für lange Zeit lahmgelegt sein. Dies liegt daran, dass es sich bei diesen Großkerntransformatoren meist um speziell angefertigte Produkte handelt und für deren Austausch keine vorgefertigten Lagerware zur Verfügung steht. Sind die Teile einmal beschädigt, sind sie nicht innerhalb kurzer Zeit zu beschaffen. Elektrizität ist eine Grundvoraussetzung für das Funktionieren der modernen Gesellschaft. Wenn die Stromversorgung unterbrochen wird, kommt der Betrieb der gesamten Gesellschaft zum Stillstand. Eine Studie zur Risikobewertung kommt zu dem Schluss, dass ein großer Stromausfall infolge eines extrem starken Sonnensturms in Nordamerika enorme Verluste in Billionenhöhe verursachen würde.

Während des Stromausfalls in Quebec brannte ein Transformator durch

In der Nationalen Weltraumwetterstrategie und dem Aktionsplan der Vereinigten Staaten schlug der Nationale Wissenschafts- und Technologierat das Konzept einer „Weltraumwetter-bereiten Nation“ vor, das drei Hauptrichtungen für Maßnahmen auf nationaler Ebene zur Reaktion auf Weltraumwetter aufzeigte: Erstens ist es notwendig, die Schutzkapazitäten der nationalen Sicherheit, der Heimatschutzbehörde (d. h. der inneren Sicherheit der USA) und der kommerziellen Einrichtungen und Betriebe, die anfällig für Weltraumwetter sind, zu stärken; zweitens, die Entwicklung zeitnaher und genauer Möglichkeiten zur Überwachung und Vorhersage des Weltraumwetters sowie die Bereitstellung wichtiger Informationen und Leitlinien für die gesamte Gesellschaft, um auf Weltraumwetterereignisse reagieren zu können; Drittens: Ausarbeitung von Wiederherstellungsplänen für die Zeit nach Weltraumwetterereignissen, damit die zuständigen Abteilungen nach unaufhaltsamen Weltraumwetterkatastrophen auf die durch die Katastrophe verursachten Schäden in geordneter Weise und gemäß den im Voraus untersuchten und überprüften Plänen und Aktionsschritten reagieren können.