Dänemark: Sonnenstürme eine Bedrohung für das Land

Dänisches Amt für Zivilschutz setzt Sonnenstürme mit Terror auf eine Liste

AARHUS/KOPENHAGEN | Sonnenstürme sind immer wieder ein gefundenes Fressen für Apokalyptiker, schon 2012 und 2015 sollten alle technischen Geräte der Erde einem Super Sonnensturm zum Opfer gefallen sein. Doch jetzt schauen auch seriöse Astrophysiker der „Gefahr“ Sonnensturm mit ernsten Auge ins Gesicht. Denn das Risiko ist zwar sehr gering aber dennoch nachweislicht real: Je mehr wir uns auf technische Hilfsmittel verlassen, desto anfälliger werden wir bei einem Blackout.

Nun hat das dänische Amt für Zivilschutz reagiert und zählt Sonnenstürme neben Terror, Orkanen, Epidemien und Sturmfluten inzwischen zu den 13 größten Bedrohungen für das Land. „Es ist etwas Neues, dass wir jetzt das Weltraumwetter mit auf der Liste haben. Aber es kann ernste Konsequenzen auch für Dänemark haben“, erklärt Mads Ecklon, der Chef des Katastrophenschutzes gegenüber der Zeitung „Jyllands Posten“.

Forscher der Universität Aarhus untersuchen schon lange sogenannte „Superflares“ auf sonnenähnlichen Sternen und fanden so u.a. auch Mega-Sonnenstürme, die das bis zu 100-fache Niveau uns bekannter Sonnenstürme erreichen können. Unsere technisch vernetzte Welt ist schon heute anfällig für kleinste Störungen.

Mit dieser Situationen umgehen und die Gefahr einzuschätzen ist nun dänisches Anliegen.
Denn die Gefahr von Störungen durch Sonnenstürme ist durchaus konkret: „Wir haben schon Beispiele gesehen, wo Schwankungen im Weltraumwetter Auswirkungen auf die Luftfahrt, Satelliten, Kommunikationssysteme und IT-Systeme hatten“, sagt Ecklon. 2015 legte ein Sonnensturm die Radarsysteme und GPS-Systeme in Schweden lahm, so dass kein Flugverkehr mehr stattfinden konnte. Die Flugzeuge konnten weder starten noch landen. 2003 hatte es in Malmö sogar einen Stromausfall von einer Stunde geben – Ursache waren gleich zwei Stürme, die nacheinander die Erde trafen. Im deutschen Luftraum wurde an diesem Tag die Anzahl der Flüge begrenzt, weil die Radars gestört wurden und der Funk aussetzte. Aufgrund stark sichtbarer Polarlichter folgte in Deutschland am Folgetag eine Welle von Ufo-Meldungen.

Was ist ein Sonnensturm und wie entsteht er?

Die Sonne sendet ständig Strahlung und geladene Teilchen in den Weltraum. Diesen stetigen Teilchenstrom bezeichnet man als Sonnenwind. Von einer Sonneneruption spricht man, wenn dieser Strom für kurze Zeit und in einem begrenzten Gebiet deutlich stärker ist als sonst. Die Strahlung und die Teilchen, die bei einer Sonneneruption entstehen, bewegen sich durchs All und können auch auf die Erde treffen. Die Folgephänomene, die dort in Gang gesetzt werden, bezeichnet man als Sonnensturm.
Ausgangspunkt für Sonneneruptionen sind Gebiete hoher magnetischer Feldstärke in den äußersten Schichten der Sonne, der so genannten Chromosphäre und der so genannten Korona. Normalerweise sind die magnetischen Feldlinien dort bogenförmig geschlossen und schließen das heiße Sonnenplasma – also Protonen, Elektronen und weitere elektrisch geladene Atome – ein. Es kann jedoch geschehen, dass die Feldlinien aufbrechen und eine Plasmawolke eruptiv ins All entweicht. Ein solches Umordnen der Feldlinien führt in der Regel zu drei, klar unterscheidbaren Phänomenen, die in ihrer Gesamtheit eine Sonneneruption ausmachen:

• Erste Auswirkung einer solchen Umordnung der Feldlinien sind hochenergetische Teilchen (vor allem Protonen), die mit Geschwindigkeiten von etwa zehn bis 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit die Sonne verlassen. Falls sie in Richtung der Erde ausgesendet werden, benötigen sie etwa eine Stunde, um diese zu erreichen.
• Da die hochenergetischen Teilchen von ihrem Entstehungsort etwas oberhalb der Sonnenoberfläche zunächst in entgegengesetzten Richtungen ausgestoßen werden, trifft ein Teil auch die Sonne selbst. Dort werden sie abgebremst. Die Bewegungsenergie, die sie dabei verlieren, geben sie in Form von Röntgenstrahlung ab: Es kommt zu einem Röntgenblitz. Wissenschaftler sprechen von einem Flare. Da sich der Röntgenblitz mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, erreicht er noch vor den hochenergetischen Teilchen, etwa acht Minuten nach der Sonneneruption die Erde. Von der Erde aus betrachtet, ist er somit das erste Anzeichen eines bevorstehenden Sonnensturms.
• Die Plasmawolke, die ins All entweicht, bezeichnen Wissenschaftler als koronalen Massenausstoß(englisch: coronal mass ejection; Abkürzung: CME). Er besteht aus geladenen Teilchen: Elektronen, Protonen und weiteren Atomkernen. Die Plasmawolke bewegt sich mit Geschwindigkeiten von etwa 1000 Kilometern pro Sekunde durchs All und benötigt somit etwa ein bis zwei Tage, bevor es die Erde erreicht. Die Plasmawolke ist für viele der Auswirkungen, die bei einem Sonnensturm auf der Erde beobachtet werden können, verantwortlich (siehe Frage 4).
  Obwohl die Masse einer solchen Plasmawolke der eines veritablen Bergrückens (etwa des Brockenmassivs im Harz) entsprechen kann, ist sie dünner verteilt als die Masse in einem Hochvakuum. Stünde man (in einer Art Gedankenexperiment) mitten in der Wolke, würde man sie nicht wahrnehmen.

Diese drei Phänomene treten oft gemeinsam auf. Es kann jedoch auch zu Flares kommen, die nicht von einem CME begleitet werden – und umgekehrt.

Wie wahrscheinlich ist es, dass eine Sonneneruption Auswirkungen auf die Erde hat?

Nicht sehr wahrscheinlich. Sonneneruptionen können an fast jeder Stelle der Sonnenoberfläche (außer den Polen) entstehen. Von dort breiten sie sich zunächst vorwiegend in radialer Richtung ins All aus und beschreiben dann eine leichte Rechtskurve. (Dies hängt mit der Rotation der Sonne zusammen. Die Flugbahn des Wasserstrahls eines rotierenden Rasensprengers sieht ähnlich aus.) Da die Sonne etwa 200 Mal so groß ist wie die Erde und der Abstand zwischen beiden Körpern mit 150 Millionen Kilometern beträchtlich ist, füllt die Erde aus Sicht der Sonne nur einen recht kleinen Raumwinkel aus. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Auswirkungen einer bestimmten Sonneneruption in Richtung der Erde ausbreiten und es dort zu einem Sonnensturm kommt, ist somit nicht sehr groß.
In der Vergangenheit kam es innerhalb eines jeweils elfjährigen Sonnenzyklus (siehe Frage 7 und 8) zu etwa zwei bis fünf schweren Stürmen auf der Erde. Schwächere Stürme treten häufiger auf.

Wie werden Sonnenstürme klassifiziert?

Die Stärke eines Sonnensturms wird in drei Kategorien angegeben. Diese Kategorien sind nach den Auswirkungen, welche die verschiedenen Komponenten des Sonnensturms auf der Erde haben, benannt:

• R: Radiostörungen (ausgelöst durch den Röntgenblitz)
• S: Strahlungseffekte (ausgelöst durch die hochenergetischen Teilchen)
• G: geomagnetische Effekte (ausgelöst durch die Plasmawolke)

Die Stärke wird in allen drei Kategorien in fünf Stufen eingeteilt. Dabei entspricht die Stufe 5 einem sehr starkem Effekt, die Stufe 1 einem schwachen.
Ein Sonnensturm, bei dem etwa mit heftigen geomagnetischen Effekten zu rechnen ist, wird als G5 klassifiziert.

Eine weitere Klassifizierung beschreibt allein die Stärke eines Flares in den fünf Kategorien A,B,C,M,X. Dabei bezeichnet A einen schwachen, X einen sehr starken Flare. Ausschlaggebend ist der maximale Röntgenfluss, der erreicht wird. Die Skala von A bis X ist (wie etwa auch die Richterskala für Erdbeben) logarithmisch. Ein Flare der Klasse B ist somit zehnmal so stark wie ein Flare der Klasse A. Eine zusätzliche Zahl, gibt eine (nicht-logarithmische) Feinabstufung der Stärke innerhalb einer Klasse an. Den schwächsten Flare innerhalb der Klasse M bezeichnet man mit „M1“, einen sehr starken mit „M9“. Ein M10-Flare entspricht einem X1-Flare. Bei Flares, deren Stärke X10 übersteigt, zählt man innerhalb der Klasse X einfach weiter. Der stärkste bis heute registrierte Flare trat am 4. November 2003 auf und wurde mit X28 klassifiziert.

Welche Auswirkungen können Sonnenstürme auf der Erde haben?

Die Erde ist weitestgehend durch ihre Atmosphäre und ihr Magnetfeld vor Sonnenstürmen geschützt. Dieses führt eintreffende, geladene Teilchen in einem Abstand von etwa zehn Erdradien (70 000 Kilometern) um die Erde herum. Zusätzlich schirmt die Atmosphäre die Erdoberfläche ab. In großen Höhen und in den Polargebieten, wo die Feldlinien des Magnetfeldes stärker gegen die Erdoberfläche geneigt sind, ist dieser Schutz schwächer. Diese Regionen sind deshalb anfälliger für die Auswirkungen von Sonnenstürmen.

Polarlichter: 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. Diese Leuchterscheinungen treten überwiegend in den Polargebieten auf. Starke Sonnenstürme können das Erdmagnetfeld jedoch so stark verformen, dass diese Prozesse auch in niedrigeren Breiten vorkommen und Polarlichter auch in Deutschland sichtbar werden.

Auswirkungen auf den Flugverkehr: Auch in einer typischen Reiseflughöhe von elf Kilometern sind Flugreisende weitestgehend durch das Magnetfeld der Erde vor einer deutlich erhöhten Strahlungsdosis geschützt. Da dieser Schutz in den Polarregionen schwächer ist und möglicherweise auch die Navigation beeinträchtigt ist, kann es sinnvoll sein, bei starken Sonnenstürmen Polarrouten vorsichtshalber zu meiden.

Auswirkungen auf Stromnetze: 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.

Auswirkungen auf Handynetze: Die Richtfunkstrecken der Handynetze sind kaum betroffen.

Auswirkungen auf Satelliten: 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, so dass 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.

Auswirkungen auf 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.

Auswirkungen auf das 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.

Lassen sich Sonnenstürme vorhersagen?

Nein. Es ist nicht möglich zu berechnen, wann und wo es auf der Sonne zu einer Sonneneruption kommt. Eine langfristige Vorhersage von Sonnenstürmen ist somit nicht möglich. Allerdings lässt sich die Zeit, die zwischen dem Auftreten der Eruption auf der Sonne und dem Eintreffen des Sturms auf der Erde liegt, recht genau bestimmen. Die Plasmawolke trifft in der Regel erst nach ein bis zwei Tagen auf der Erde ein. Eine kurzfristige Vorwarnung ist somit möglich.
(Die Situation ist vergleichbar mit der Vorhersage von Wirbelstürmen: Wann und wo ein Hurrikan auf dem Meer entsteht, lässt sich nicht prognostizieren. Hat er sich jedoch bereits gebildet, so lässt sich berechnen, wann und wo er auf die Küste treffen wird – natürlich mit einer gewissen Unsicherheit.)

Gibt es eine Art Frühwarnsystem für Sonnenstürme?

a. Mehrere Raumsonde und Satelliten beobachten die Sonne ständig aus dem All. Erste Anzeichen eines Sonnensturms zeichnen beispielsweise die Erdsatelliten GOES sowie die Raumsonden SoHO (Solar and Heliospheric Observatory), STEREO und SDO (Solar Dynamics Observatory) auf. Zusammen mit den Daten weiterer Sonden lassen sich dann Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit des Sonnensturms bestimmen. Solche Vorhersagen bietet etwa das Space Weather Prediction Center (SWPC) des National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA). Die NOAA ist eine Bundesbehörde der Vereinigten Staaten von Amerika.

Auf der Erde trifft die Plasmawolke des energetischen Regen erst mindestens 14 bis 48 Stunden später ein. Hier kann es schlimmstenfalls zu Ausfällen ganzer Kraftwerke kommen. Das stark schwankende Erdmagnetfeld führt in Überlandleitungen zu Überspannungen und enorm erhöhten Stromstärlen. Die meist technische basierten Szenerien sind die Grundlagen für die Katastrophenpläne und Warnsysteme, die jetzt entwickelt werden. Denn die technische Infrastruktur soll gerüstet sein, um der neu wahrgenommen Bedrohung im Unglücksfall Herr werden zu können. Wichtig ist die Prognose der Phänomene, und da will Dänemark nachsteuern. An der Universität Göttingen gibt es bereits seit 2013 ein Frühwarnsystem, das bereits eine Stunde nach dem Auftreten eines starken Sonnensturms Daten zur Verfügung stellt. Sonnenstürme kündigen sich mit einem Röntgenblitz an, der bereits nach etwa acht Sekunden auf der Erde den Job des Vorboten einnimmt.

„Denken Sie an die Konsequenzen, wenn man GPS für die Navigation verwendet und damit ein Flugzeug landen soll – und plötzlich ist das Signal weg, weil der Satellit von einem Ausstoß getroffen wird“, mahnt Peter Stauning, Professor Emeritus vom Meteorologischen Institut (DMI) „Jyllands Posten“. Dennoch sei die Einstufung in den Chor der größten Risiken richtig. Nun müsse man Maßnahmen ergreifen, sagt Stauning. Das Land dürfe sich nicht vollständig abhängig machen von satellitenbasierten Systemen und außerdem müsse man die dänische Abhängigkeit von grenzübergreifenden Stromnetzen unter die Lupe nehmen, wo es bei magnetischen Stürmen zu Störungen kommen könne. Er unterstreicht aber auch, dass Gefahr nicht auf eine Stufe gestellt werden sollte mit Orkanen oder Terrorismus. Dies sei eine Frage der technologischen Sorgfalt, die man ernsthaft und unerschrocken behandeln solle.

Etwa alle zehn bis elf Jahre muss man gemäß des Sonnenfleckenzyklus mit einem Sonnensturm größerer Güte rechnen. Schon im 19. Jahrhundert lösten die Energiehagel große Probleme aus. Der stärkste überlieferte Sonnensturm schloss am 1. und 2. September 1859 die gerade eingeführten Telegrafenleitungen kurz, brachte die Telegrafenstationen zum Brennen und ließ die Polarlichter bis nach Rom und Havanna leuchten. Am 13. März 1989 kam es zum Zusammenbruch der Stromversorgung in großen Teilen Kanadas. Laut der amerikanischen Weltraumagentur NASA entging die Erde im Jahr 2012 wiederum nur knapp einem weiteren verheerenden Sonnensturm.

Im Jahr 775 nach Christus könnte es sogar einen solaren Superflare mit zehn bis hundertfacher Stärke der zuletzt gemessenen Phänomene gegeben haben. Darauf weisen Baumringe von japanischen Zedern hin. Sollte sich diese im vergangenen Sommer veröffentlichte Erklärung des Aarhuser Experten Christoffer Karoff als richtig herausstellen, wäre eine gigantische Explosion auf der Sonne sogar in der Lage, die Erde unbewohnbar zu machen. Durch seine Atmosphäre und sein Magnetfeld besitzt der blaue Planet aber einen beruhigenden Schutzmantel.