Die Sonne niest, und das Raumschiff gerät ins Kreuzfeuer

Die zunehmende Häufigkeit menschlicher Weltraumaktivitäten bringt immer mehr Herausforderungen im Zusammenhang mit Weltraumwetter mit sich, die bewältigt werden müssen.

Das schwache Polarlicht ist eine einzigartige Naturlandschaft. Im Allgemeinen haben nur Menschen in den hohen Breitengraden der Arktis und Antarktis das Glück, seine Schönheit zu sehen. Für das Auftreten der Aurora sind drei Bedingungen erforderlich: Atmosphäre, Magnetfeld und hochenergetische geladene Teilchen. Die Sonne schleudert kontinuierlich geladene Teilchen mit enormer Energie in den Weltraum. Wenn diese Partikel in die Nähe der Erde kommen, werden sie durch das starke Magnetfeld der Erde gestört und fliegen zum Nord- und Südpol. Durch Reibung und Kollision mit atmosphärischen Molekülen entsteht das Aurora-Phänomen. Zusätzlich zu den farbenfrohen Polarlichtern gibt es noch einige Unterströmungen, die mit bloßem Auge nicht zu erkennen sind. Die hochenergetischen geladenen Teilchen der Sonne interagieren mit dem Magnetfeld der Erde und führen zu verschiedenen Veränderungen in der Ionosphäre, Magnetosphäre sowie der mittleren und oberen Atmosphäre der Erde. Dieses sich verändernde Phänomen im Raum zwischen Sonne und Erde, das eng mit der Sonnenaktivität zusammenhängt, wird im Volksmund als Weltraumwetter bezeichnet.

Die Aurora Borealis, fotografiert vom Space Shuttle Discovery im Mai 1991

Im November 1994 definierten die Vereinigten Staaten „Weltraumwetter“ als Bedingungen in der Nähe der Sonne und im Sonnenwind sowie in der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre der Erde, die den Betrieb und die Zuverlässigkeit technischer Systeme im Weltraum und auf der Erde beeinträchtigen und die Gesundheit und das Leben der Menschen gefährden. Der Entstehungsmechanismus des Weltraumwetters ist komplex. Übermäßig intensive Sonnenaktivitäten wie Sonnenwinde können geomagnetische Stürme, thermosphärische Stürme, eine Ausdehnung des äußeren Van-Allen-Strahlungsgürtels, Veränderungen der Eigenschaften der Ionosphäre und andere Gefahren auslösen, das normale Leben der Menschen auf der Erde gefährden, den normalen Betrieb erdnaher Weltraumsatelliten stören und sogar eine Gefahr für das Leben von Astronauten im Weltraum darstellen.

Die Sonne: Die wütende Mutter aller Geschöpfe

Traditionelle Wetteränderungen in der Atmosphäre sind letztlich auf Veränderungen der Sonne zurückzuführen. Wenn die Entfernung zur Sonne gering und die Sonnenscheindauer lang ist, ist es Sommer, während die Entfernung zur Sonne weit und die Sonnenscheindauer kurz ist, ist es Winter. Die Sprichwörter „Der Winter kommt und der Sommer geht, der Herbst erntet und der Winter legt Vorräte an“, „Wolken bringen Regen, Tau wird zu Frost“ und sogar Naturkatastrophen wie Überschwemmungen, Dürren und Heuschreckenplagen stehen in engem Zusammenhang mit der Sonnenaktivität.

Das aufkommende Konzept des Weltraumwetters steht in direktem Zusammenhang mit der Sonnenaktivität. Auf der Sonne finden kontinuierlich Kernfusionsreaktionen statt, während sie kontinuierlich ionisierte Gase mit hoher Temperatur ausstößt. Das Phänomen, dass die Sonne in einem ruhigen Zustand kontinuierlich Materie in den interstellaren Raum ausstößt, wird als Sonnenwind bezeichnet. Der Sonnenwind tost mit einer Geschwindigkeit von 1 bis 10 Millionen Kilometern pro Stunde und befördert jede Sekunde 1 Million Tonnen Materie in den Weltraum. Wenn der Sonnenwind auf das Magnetfeld der Erde trifft, wird dieses „aufgeblasen“ und verformt, wodurch eine tropfenförmige Magnetosphäre entsteht, die der Sonne zugewandt ist. Gerade durch die Existenz dieser Magnetosphäre wird der Sonnenwind ferngehalten und kann keine nennenswerten Störungen der Erdatmosphäre verursachen. Dadurch wird verhindert, dass die Atmosphäre und Feuchtigkeit auf der Erdoberfläche durch den Sonnenwind erodiert und weggeweht werden. Man kann sagen, dass die Magnetosphäre der Schutzschirm der Erde ist und eine der wichtigsten Voraussetzungen dafür darstellt, dass auf der Erde Leben entstehen kann.

Schematische Darstellung der Magnetosphäre der Erde unter dem Einfluss des Sonnenwindes. Größe und Entfernung der Himmelskörper stehen in keinem Verhältnis zueinander.

Allerdings bleibt die Sonne nicht immer ruhig und „niest“ oft. Die Sonnenaktivität kann in zwei Arten unterteilt werden: allmählich und explosiv. Abnorme Strukturen in der Sonne, wie Sonnenflecken und koronale Löcher, gehören zur allmählichen Sonnenaktivität, während Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe zur explosiven Sonnenaktivität gehören.

Die bei einem typischen Sonnenereignis freigesetzte Energie entspricht in etwa der Energie, die bei der Explosion von Hunderten Milliarden Hiroshima-Atombomben freigesetzt wird. Bei einem Sonnensturm verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen dem Sonnenwind und dem Magnetfeld der Erde und das Gleichgewicht wird gestört, was zu drastischen Veränderungen in der Magnetosphäre der Erde führt. Die Magnetfelder am Boden und im erdnahen Weltraum werden stark gestört, was zu Schäden oder sogar Ausfällen von Bodenschaltkreisen, Kommunikationsgeräten und verschiedenen Satelliten führt. Dies ist das Phänomen des geomagnetischen Sturms.

Der stärkste geomagnetische Sturm aller Zeiten: das Carrington-Ereignis

Das Carrington-Ereignis am 1. September 1859 war der stärkste jemals aufgezeichnete geomagnetische Sturm. Dies war das erste Mal, dass ein Sonnensturm von Menschen beobachtet wurde, und es war zugleich der bis dahin stärkste Sonnensturm. Der Vorfall führte zum Ausfall von fast 200.000 Kilometern Telegrafenleitungen in den Vereinigten Staaten und Europa. Das Polarlicht in den Polarregionen ist so hell, dass man nachts sogar direkt unter dem Polarlicht Bücher oder Zeitungen lesen kann. In Gebieten mittlerer und niedriger Breitengrade wie Hawaii und der Karibik traten sogar Polarlichter in nie dagewesenem Ausmaß auf. Allerdings verfügten die Menschen vor 163 Jahren weder über Satellitentechnologie noch über Funktechnik, sodass die durch solch schwere magnetische Stürme verursachten Veränderungen des Weltraumwetters keine großen Auswirkungen auf das Leben der Menschen hatten.

Richard Carringtons Sonnenflecken während des Carrington-Ereignisses am 1. September 1859

Würde es jedoch heute zu einem weiteren Carrington-Vorfall kommen, wären die Folgen verheerend. Geomagnetische Stürme erzeugen induzierte Ströme im Stromversorgungsnetz, die zur Überlastung oder sogar zum vollständigen Durchbrennen von Transformatoren führen und das globale Stromnetz vollständig lahmlegen. Alle Satelliten werden verschrottet, die Kommunikation wird völlig unterbrochen, Navigationssysteme werden nicht mehr richtig funktionieren, Schiffe und Flugzeuge werden zu kopflosen Fliegen und es wird etwa vier bis zehn Jahre dauern, bis alle hierdurch verursachten direkten oder indirekten Verluste wieder ausgeglichen sind. Laut der Prognose des Key Laboratory of Near-Earth Space Environment der Chinesischen Akademie der Wissenschaften werden sich die weltweiten Gesamtverluste auf etwa zwei Billionen US-Dollar belaufen.

Obwohl die Menschen im Zeitalter der Satelliten bisher noch keine Weltraumwetterkatastrophe vom Ausmaß des Carrington-Ereignisses erlebt haben, sorgen mehrere Ereignisse mit geringerer Intensität immer noch für Unbehagen bei den Menschen.

Der Vorfall im kanadischen Quebec im März 1989 führte dazu, dass das Stromnetz der Stadt neun Stunden lang unterbrochen war, sechs Millionen Einwohner eine kalte und dunkle Nacht ohne Strom verbrachten und die direkten wirtschaftlichen Verluste 500 Millionen US-Dollar erreichten. Sämtliche militärischen Radarstationen in Quebec waren außer Betrieb und das North American Aerospace Defense Command ging sogar davon aus, dass Quebec von einem Atomangriff getroffen worden sei.

Der Bastille-Sturm im Jahr 2000 führte zu Sensorausfällen bei den US-Wettersatelliten GOES-8 und GOES-10, zu stundenlangen Ausfällen der GPS-Navigationssatelliten, zum Ausfall des Sonnenwindgeschwindigkeitsdetektors auf dem Advanced Composition Explorer-Satelliten (ACE) der Raumstation und zur Absenkung der Umlaufbahn der Internationalen Raumstation um 15 Kilometer. Am schwersten beschädigt wurde der japanische astronomische Beobachtungssatellit ASCA. Die Solarmodule funktionierten möglicherweise nicht richtig. Nach zwei Monaten Rettungsbemühungen erklärte das Personal immer noch einen Fehlschlag und der Satellit verlor schließlich den Kontakt.

Der Einfluss thermosphärischer Stürme auf die Satellitenumlaufbahn

Thermosphärische Stürme sind ein Nebenphänomen geomagnetischer Stürme und haben direkte Auswirkungen auf die Umlaufbahnen erdnaher Satelliten. Die Thermosphäre ist eine dünne Schicht der Atmosphäre mit relativ hoher Temperatur und mehr als 100 Kilometer über dem Boden. Bei einem thermosphärischen Sturm erwärmt sich die Atmosphäre und dehnt sich aus, was zu Veränderungen der Luftzirkulation und einer deutlichen Zunahme der Dichte der oberen Atmosphäre führt. Der Luftwiderstand, dem Raumfahrzeuge in niedrigeren Umlaufbahnen ausgesetzt sind, wird exponentiell zunehmen, was für Raumfahrzeuge, die ihre Umlaufbahn nicht rechtzeitig anheben können, fatale Folgen haben wird. Ein übermäßiger Luftwiderstand führt dazu, dass die Fluggeschwindigkeit des Raumfahrzeugs schneller abnimmt, seine Umlaufhöhe schneller abnimmt und es früher wieder in die Atmosphäre eintritt, was seine Lebensdauer beendet.

Das bekannteste davon betroffene Raumfahrzeug war die US-Raumstation Skylab. Skylab wurde am 14. Mai 1973 von einer Saturn-V-Rakete gestartet. Die NASA setzt große Hoffnungen in dieses 76 Tonnen schwere Ungetüm. Nach drei bemannten Flugmissionen begann für „Skylab“ ein Missionsfenster, in dem es auf den erfolgreichen Start des Space Shuttles wartete, um aufzutanken und seine Umlaufbahn zu erhöhen. Zu diesem Zeitpunkt befand sich Skylab in einer Umlaufbahn von etwa 435 Kilometern und die Ingenieure gingen davon aus, dass es bis 1983 im Weltraum in Betrieb bleiben und auf die Ankunft des Space Shuttle warten würde. Doch bevor 1981 die Space Shuttle erfolgreich entwickelt werden konnte, war die Sonnenfleckenaktivität stärker als erwartet, die obere Erdatmosphäre erhitzte sich und dehnte sich aus. Aufgrund des größeren Widerstands konnte Skylab nur bis 1979 bestehen. Am 11. Juli 1979 trat Skylab bedauerlicherweise wieder in die Atmosphäre ein und verglühte.

Skylab

Skylab-Trümmer stürzen über Australien ab

Der Einfluss der Van-Allen-Strahlungsgürtel auf elektronische Satellitensysteme

Zusätzlich zu der erhöhten atmosphärischen Dichte, die zu einem schnelleren Abfall der Satellitenumlaufbahn führt, können auch schwere Weltraumwetterbedingungen Auswirkungen auf die elektronischen Systeme des Satelliten haben. Auf der Erde gibt es im Höhenbereich von 1.000 bis 60.000 Kilometern eine große Zahl hochenergetischer geladener Teilchen, die durch das Erdmagnetfeld gebunden werden. Sie sammeln sich im Van-Allen-Strahlungsgürtel, der die Erde umgibt. Bei einem Sonnensturm dehnen sich die Van-Allen-Strahlungsgürtel nach außen aus und vergrößern ihre Reichweite, wodurch Raumfahrzeuge gefährdet werden, die sich ursprünglich außerhalb dieser Strahlungsgürtel befinden.

Schematische Darstellung der Van-Allen-Strahlungsgürtel. Der innere Gürtel (rot) wird von Protonen dominiert, und der äußere Gürtel (blau) wird von Elektronen dominiert.

Durch den plötzlichen Anstieg geladener Teilchen wird die Oberfläche des Satelliten auf eine Spannung von bis zu mehreren zehntausend Volt aufgeladen. Wenn sich die Elektrizität bis zu einem bestimmten Niveau angesammelt hat, entlädt sie sich an bestimmten Spitzen und Lücken und durchbricht sofort die Schutzschicht des Satelliten. Einige hochenergetische Partikel können Satelliten direkt durchdringen, Satellitenschaltkreise und -chips bombardieren, ihre Leistung beeinträchtigen und in schweren Fällen direkt zum Ausfall der Satelliten führen. Unvollständigen Statistiken zufolge sind fast 90 % der Ausfälle von Satellitenschaltkreissystemen auf eine anormale Sonnenaktivität zurückzuführen.

Statistiken des National Space Weather Strategic Plan der USA zufolge belaufen sich die durch Weltraumwetter verursachten Schäden in den USA jährlich auf mehrere zehn Millionen Dollar. Im Jahr 1998 fiel der geostationäre Kommunikationssatellit Galaxy 4 der USA aufgrund eines Sonnensturms aus und legte 80 % der US-amerikanischen Fax- und Paging-Dienste lahm. Auch mein Land erlitt Verluste aufgrund von Veränderungen des Weltraumwetters, als die Satellitentechnologie noch nicht ausgereift war. Der im September 1988 gestartete Wettersatellit Fengyun-1A war nur 39 Tage lang normal in Betrieb, und der im November 1990 gestartete Wettersatellit Fengyun-1B war nur 165 Tage lang normal in Betrieb. Ihre Bordcomputer wurden durch das schwere Weltraumwetter beschädigt und ihre geplante Lebensdauer von einem Jahr wurde nicht erreicht. Später hat mein Land die Lehren aus den Satellitenausfällen gezogen, die Schwierigkeiten überwunden und die Strahlungsresistenz seiner Satelliten erheblich verbessert. Der im Mai 1999 gestartete Satellit Fengyun-1C hatte eine geplante Lebensdauer von zwei Jahren, war jedoch fast fünf Jahre lang im Normalbetrieb und feierte damit ein großartiges Comeback.

Fengyun-1-Satellit

Ionosphärische Stürme beeinflussen die Ausbreitung von Radiowellen

Sonnenaktivität kann auch Störungen in der Ionosphäre der Erde verursachen und zu ionosphärischen Stürmen führen. Die Ionosphäre ist ein Bereich der Atmosphäre in einer Höhe von 60 bis 1000 Kilometern, der geladene Teilchen enthält. Wenn sich die Höhe ändert, kann die Ionosphäre elektromagnetische Wellen verschiedener Frequenzbänder reflektieren, brechen und absorbieren, genau wie ein Spiegel am Himmel. Auf diesen Spiegel am Himmel sind die Menschen für ihre Funkkommunikation angewiesen.

Bei einem ionosphärischen Sturm kommt es innerhalb von Millisekunden zu plötzlichen Schwankungen der Dichte geladener Teilchen sowie der Verteilung des elektrischen und magnetischen Felds usw. in der Ionosphäre. Die Amplitude der Schwankung kann dabei über 80 % erreichen. Dies führt zu schnellen Änderungen der Reflexion, Brechung, Absorption und Dispersion von Radiowellen sowie der Doppler-Frequenzverschiebung und kann somit zu Schäden an Kommunikations-, Navigations- und Fernerkundungssatelliten oder sogar zu deren vollständigem Verlust führen. Geladene Teilchen können auch die Solarmodule des Satelliten bombardieren, was zur Verschlechterung der Leistung der Solarmodule des Satelliten führt. In schweren Fällen kann es zu einer unzureichenden Stromversorgung des Satelliten oder sogar zu einem Stromausfall des gesamten Satelliten kommen.

Wenn die Dichte der geladenen Teilchen im kleinen Maßstab in der Ionosphäre ungleichmäßig ist, schwanken Intensität und Phase der Radiosignale. Dieses Phänomen wird „ionosphärische Szintillation“ genannt. Darüber hinaus kann eine großflächigere, ungleichmäßige Dichte geladener Teilchen dazu führen, dass sich der Brechungspfad von Funksignalen verbiegt, was zu Abweichungen führt, wenn erdgebundene Ortungssatelliten Signale empfangen. Die Anhäufung verschiedener Fehler durch klein- und großräumige ionosphärische Stürme führt zu einer Verringerung des Signal-Rausch-Verhältnisses von Satellitensignalen und einer Erhöhung der Paketverlustrate, was zu vermehrten Fehlern bei Navigationssatelliten, einer verringerten Auflösung von Fernerkundungssatellitenbildern und sogar zu einer vollständigen Unterbrechung der Satellitensignale führt. Während des Halloween-Sonnensturms Ende Oktober 2003 musste beispielsweise der US-Navigationssatellit GPS aufgrund ionosphärischer Stürme für 30 Stunden abgeschaltet werden. Im September 2017 kam es zu einer starken Sonneneruption und die Fehler von Satellitenortungssystemen wie dem US-amerikanischen GPS und dem Beidou meines Landes waren um ein Vielfaches größer als normal. Die Gebiete meines Landes in niedrigen Breitengraden, wie etwa das Südchinesische Meer, sind anfällig für ionosphärische Szintillation. In einer Zeit, als die maritime Satellitentechnologie noch nicht ausgereift war, kam es häufig vor, dass Schiffe ihre maritimen Satellitensignale verloren.

Eine Sonneneruption der X-Klasse, aufgenommen vom SDO-Observatorium der NASA am 6. März 2012

Die Schädlichkeit der Weltraumstrahlung für Astronauten

Darüber hinaus sind Astronauten im Weltraum ständig der Gefahr von Weltraumwetterkatastrophen ausgesetzt.

Astronauten sind im Weltraum potenzieller Strahlungsgefahr ausgesetzt

Hochenergetische geladene Teilchen können in menschliches Zellgewebe eindringen, Moleküle im Körper ionisieren und sogar genetisches Material wie die DNA schädigen. Die normalen Funktionen der Zellen werden zerstört. Eine geringe Strahlendosis kann beispielsweise zu endokrinen Störungen führen. In schweren Fällen führt es zu DNA-Mutationen und sogar Zellkrebs. Forscher wiesen darauf hin, dass Astronauten, die im Weltraum eine Sonneneruption der gleichen Stärke wie das Carrington-Ereignis erleben, wahrscheinlich an akuter Strahlenkrankheit leiden und sogar sterben werden. Astronauten, die Außenbordeinsätze durchgeführt hatten, berichteten von ungewöhnlichen Lichtblitzen in ihren Augen, die sich durch Schließen der Augen nicht lindern ließen. Analysen vom Boden aus zeigten, dass dies durch den Beschuss ihrer Netzhaut mit hochenergetischen Teilchen verursacht wurde.

Daher müssen die Außenwände der Raumstation aus speziellen Materialien bestehen, um die Schäden durch die Weltraumstrahlung für die Astronauten so gering wie möglich zu halten. Zudem sollte die Zeit, die die Astronauten für ihre Mission aufwenden, nicht zu lang sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Ursachen für Weltraumwetterphänomene komplex sind. Die Sonne, die sich der menschlichen Kontrolle entzieht, könnte jederzeit auf die Erde niederprasseln und drastische Veränderungen in der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre der Erde sowie in verschiedenen physikalischen Eigenschaften des Bodens verursachen, was eine Bedrohung für das reibungslose Funktionieren und die gesunde Entwicklung der menschlichen Gesellschaft darstellt. Die Forschung zum Weltraumwetter steckt derzeit noch in den Kinderschuhen. Ich bin überzeugt, dass wir eines Tages den Entstehungsmechanismus und die sich ändernden Gesetze des Weltraumwetters vollständig verstehen und den Weltraumwetterereignissen mit größerer Leichtigkeit und Gelassenheit begegnen können.