Sonnenstürme: Entstehung und Auswirkungen auf unsere Technologie

• Wie entsteht ein Sonnensturm?
• Was bedeutet er für Technologie im Weltraum?
• Gefährdet er auch die Technik auf der Erde?

Die Sonne sendet ständig Strahlung und auch Teilchen in den Weltraum. Dabei entsteht auch der Sonnenwind. Doch bei einem stärkeren Ausbruch, einer Eruption, entstehen dabei Sonnenstürme. Was bedeutet das für die Menschen und die Technologie? Kann ein solcher Sonnensturm uns vielleicht in die Steinzeit befördern?

Wie entsteht ein Sonnensturm? Mögliche Folgen für die Erde

Die Sonne sendet einen stetigen Teilchenstrom in Richtung Erde. Dieser wird allgemein als Sonnenwind bezeichnet. Durch die Vorgänge im Inneren der Sonne wird Masse verbrannt, die sich löst und durch das Weltall driftet. Es kommt allerdings auch vor, dass ein plötzlicher Ausbruch eine große Menge an Masse von der Sonne wegschleudert, dies wird als Eruption bezeichnet.

Die Folgeerscheinung ist der Sonnensturm. Bei diesem Ausbruch werden hochenergetische Teilchen herausgeschleudert, in der Hauptsache Protonen. Diese Teilchen bewegen sich mit etwa 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durch das All, sie können also nach einem Ausbruch in etwa einer Stunde die Erde erreichen.

Der damit einhergehende Röntgenblitz bewegt sich allerdings mit Lichtgeschwindigkeit fort, er benötigt nur acht Minuten, bis er auf die Erde trifft. Die Plasmawolke, auch Koronaler Massenausstoß genannt, besteht aus geladenen Teilchen: Elektronen, Protonen und weiteren Atomkernen.

Sonnenstürme haben einen Rhythmus

Diese Wolke ist relativ langsam, mit etwa 1000 Kilometern pro Sekunde und trifft damit etwa nach zwei Tagen auf der Erde ein. Und diese Plasmawolke ist für die Auswirkungen, die man hier beobachten kann, verantwortlich. Die Häufigkeit von Sonnenstürmen hat mit der Aktivität der Sonne zu tun. Hier gibt es laut Wissenschaft einen Zyklus, in dem alle elf Jahre mit vermehrten koronalen Massenauswürfen und damit Sonnenstürmen zu rechnen ist. Der letzte Höhepunkt begann im Jahr 2012 und endete 2013, also ist rein theoretisch ab 2023 mit einem erneuten Anstieg der Aktivität zu rechnen. 

Die Erde ist durch ihr Magnetfeld und die Atmosphäre weitgehend vor Sonnenstürmen geschützt. In einer Höhe von etwa 70.000 Kilometern werden die auftreffenden Plasmateilchen um die Erde herumgeführt. In Gegenden, wo das Magnetfeld etwas schwächer ist, wie beispielsweise in den Polargebieten, ist dieser Schutz etwas schwächer. Trifft die Plasmawolke auf das irdische Magnetfeld, wird dieses verformt. Dadurch werden elektrische Spannungen in der Atmosphäre induziert.

Zudem werden die elektrisch geladenen Teilchen in der Magnetosphäre (dem Gebiet, das durch das Erdmagnetfeld geprägt wird) beschleunigt und können parallel zu den Feldlinien des Erdmagnetfeldes tiefer in die Erdatmosphäre eindringen. Dort stoßen sie auf das dichtere Atmosphärengas und regen - wie in einer Leuchtstoffröhre - einzelne Gasteilchen zum Leuchten an. Dabei entstehen die Polarlichter. Je nach Stärke des Sonnensturmes können diese dann auch in Gegenden auftreten, in denen dies normalerweise nicht der Fall ist. Es sieht spektakulär und auch wunderschön aus, ist aber letztlich harmlos. 

Sonnenstürme und moderne Technik: Welche Gefahren können hier drohen?

Wenn nun ein heftiger Sonnensturm aus dem All auf die Erde trifft, welche Auswirkungen könnte dieser auf unsere moderne Technik haben? Kann uns ein möglicher Totalausfall drohen? Welche Bereiche sind gefährdet?

• Flugverkehr: In der Regel finden die meisten Flüge in einer Höhe von bis zu 11 Kilometern statt. Dort ist man weitestgehend noch durch das Magnetfeld vor möglichen Auswirkungen geschützt, doch wird in einem solchen Fall überwiegend auf eine Route, die über die Polarregion, wo das Magnetfeld am schwächsten ist, verzichtet.
• Stromnetz: Ein beliebtes Szenario in Katastrophenfilmen: Mit einem gewaltigen Funkenregen bricht die Stromversorgung nach einem Sonnensturm zusammen. Und leider gar nicht so unrealistisch. Auch in der Nähe des Erdbodens kann das Verformen des irdischen Magnetfeldes elektrische Feldstärken von mehreren Volt pro Kilometer induzieren. Zwar sind die Feldstärken deutlich geringer als solche, die etwa lokal bei einem Blitz auftreten. Da Stromleitungen zuweilen weite Strecken überbrücken, können sich in ihnen dadurch hohe Spannungen aufbauen und starke Ströme fließen. Diese können beispielsweise Transformatoren zerstören. Durch Folgefehler können weitere Teile des Stromnetzes ausfallen. Solche Effekte treten vor allem in hohen Breiten auf.
• Handynetz: Die Richtfunkstrecken der Handynetze sind kaum betroffen.
• Satelliten: 2021 umkreisten etwa 4600 Satelliten die Erde. Angefangen vom Wettersatelliten über GPS-Satelliten bis hin zu Militärischen. Vor allem die hochenergetischen Teilchen eines Sonnensturms können die Funktionstüchtigkeit von Satelliten beeinträchtigen. Zum einen können die Teilchen die Sternensensoren blenden. Diese Sensoren machen bestimmte Sternbilder am Himmel aus und erlauben es dem Satelliten, sich gezielt auszurichten. Zum anderen können die Teilchen freie Ladungen in elektronischen Bauteilen des Bordcomputers erzeugen, sodass es zu Abstürzen der Software kommen kann. Dies lässt sich jedoch durch Ab- und Wiedereinschalten des Computers beheben. Die Solarzellen, welche den Satelliten mit Strom versorgen, und andere elektronische Bauteile können dauerhaft geschädigt werden. Die Solarzellen der Raumsonde SoHO der amerikanischen und europäischen Weltraumagenturen NASA und ESA etwa haben seit ihrem Start im Jahre 1995 durch Sonnenstürme etwa 25 Prozent ihrer Leistung eingebüßt. Zudem heizt die energiereiche Strahlung die äußersten Schichten der Erdatmosphäre auf. Als Folge dehnt sie sich aus - zum Teil bis zu den Umlaufbahnen einiger Satelliten. Diese werden durch den Wiedereintritt in die Atmosphäre abgebremst. Damit sie nicht abstürzen, muss gegengesteuert werden.
• Astronauten: Astronauten sind außerhalb der Erdatmosphäre und des Erdmagnetfeldes nicht vor den Auswirkungen eines Sonnensturms geschützt. Bei starken Sonnenstürmen ist die Strahlungsdosis selbst im Inneren einer Raumsonde hoch; bei Weltraumspaziergängen kann sie lebensgefährlich sein. Besonders bei möglichen, zukünftigen bemannten Weltraummissionen zum Mond oder zum Mars stellen Sonnenstürme eine ernste Gefahr dar.
• GPS: Besonders in höheren Breiten bewirken Sonnenstürme, dass die Erdatmosphäre in etwa 100 bis 150 Kilometern Höhe stärker als sonst ionisiert wird. Die Kommunikationssignale der GPS-Satelliten, die auf ihrem Weg zu unseren GPS-Geräten diese Schicht durchqueren müssen, werden dadurch geringfügig verzögert. Da die GPS-Geräte ihren Standort aus der Laufzeit dieses Signals ermitteln, kann es zu Fehlberechnungen kommen.

Sonnenstürme können durchaus das Leben auf der Erde beeinträchtigen, eine direkte Gefahr besteht allerdings nur für Menschen, die sich im Weltraum aufhalten. Viel größer kann die Gefahr eines Blackouts sein, der möglicherweise Gegenden monatelang ohne Strom lässt. Damit verbunden ist dann die gesamte Infrastruktur wie Wasserversorgung, Kläranlagen und Kühlkreisläufe. Einen wirksamen Schutz davor gibt es derzeit nicht.