Thermosphäre heizt sich auf – Gefahr für Satelliten

Sonnenstürme heizen die Thermosphäre auf

Eine Reihe geomagnetischer Stürme im Jahr 2023 hat mehrere Terawatt Energie in die obere Erdatmosphäre gepumpt und dazu beigetragen, dass ihre Temperatur und Höhe auf ein 20-Jahres-Hoch angestiegen ist. Die unseren Planeten umgebende Luft berührt nun Satelliten in der Erdumlaufbahn und zieht sie dadurch nach unten.

„Die Schuld liegt bei der Sonne“, sagt Martin Mlynczak von NASA Langley. „Die zunehmende Sonnenaktivität heizt den oberen Teil der Atmosphäre auf. Die zusätzliche Wärme hat keinen Einfluss auf das Wetter oder das Klima an der Erdoberfläche, ist aber für Satelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn von großer Bedeutung.“

Was genau ist die Thermosphäre überhaupt?

Die Thermosphäre  ist die vierte und zweitäußerste der Schichten der Erdatmosphäre. Sie erstreckt sich oberhalb der in 80–85 km Höhe liegenden Mesopause (obere Grenze der Mesosphäre) bis unter die Exosphäre in etwa 500−600 Kilometern über der Erdoberfläche.

Trotz ihres Namens ist die Wärme der Thermosphäre nicht spürbar, weil die Luftdichte bereits millionenfach geringer als in Bodennähe ist. Die Temperatur (300−1500 °C) äußert sich nur in der raschen Bewegung der Gasteilchen.

In der Thermosphäre umkreisen unter anderem das Space Shuttle und die Internationale Raumstation (ISS) die Erde.

Sonnenzyklus 25 weit über Prognose

Martin Mlynczak ist Experte für die Temperaturen dort oben. Seit 20 Jahren nutzt er das SABRE-Instrument auf dem NASA-Satelliten TIMED um Infrarotemissionen aus der „Thermosphäre“, der obersten Schicht der Atmosphäre, zu überwachen.

„Im Moment sehen wir einige der höchsten Messwerte in der 21,5-jährigen Geschichte der Mission“, sagt er.

Die Thermosphäre reagiert äußerst empfindlich auf Sonnenaktivität und absorbiert leicht Energie aus Sonneneruptionen und geomagnetischen Stürmen. Diese Stürme sind mit dem jüngsten Anstieg des Sonnenzyklus 25 immer stärker auf uns zugekommen.

„Im Kalenderjahr 2023 gab es fünf bedeutende geomagnetische Stürme, die zu einem deutlichen Anstieg der Menge an Infrarotstrahlung (Wärme) in der Thermosphäre der Erde führten“, sagt Mlynczak. „Sie erreichten ihren Höhepunkt am 15. Januar (0,59 TW), am 16. Februar (0,62 TW), am 27. Februar (0,78 TW), am 24. März (1,04 TW) und am 24. April (1,02 TW).“

Die Werte in Klammern sind Terawatt (1.000.000.000.000 Watt) Infrarotleistung, die von SABRE während jedes Sturms beobachtet wurde. Der Sensor ermittelt diese Zahlen durch Messung der Infrarotstrahlung, die von Stickoxid- und Kohlendioxidmolekülen in der Thermosphäre abgegeben wird.

„Die beiden Stürme mit mehr als 1 TW sind die siebt- und achtstärksten Stürme, die SABRE in den letzten 21,5 Jahren beobachtet hat“, sagt er. „Es ist interessant festzustellen, dass jeder nachfolgende Sturm im Jahr 2023 im Allgemeinen stärker ist als seine Vorgänger.“

Eigentlich braucht es keinen starken Sturm um Probleme zu verursachen. Im Februar 2022 gab ein kleiner geomagnetischer Sturm so viel Wärme in die Thermosphäre ab, dass 38 neu gestartete Starlink-Satelliten vom Himmel fielen. SpaceX hat seitdem damit begonnen, seine Starlinks in höhere Anfangshöhen zu starten, um dem Luftwiderstand zu entgehen.

Wenn die aktuellen Trends anhalten, wird sich die Thermosphäre in den Jahren 2023 und 2024 noch stärker erwärmen. Dies gibt Anlass zur Sorge, da sich die Anzahl der aktiven Satelliten auf der Erde verdreifacht hat, seit SpaceX im Jahr 2019 mit dem Start von Starlinks begonnen hat. Die wachsende Konstellation von 4100 Starlinks bietet mittlerweile mehr Internetdiensten als eine Million Kunden. Ein extremer geomagnetischer Sturm wie die Halloween-Stürme von 2003 könnte die Positionen dieser Satelliten um viele Zehnerkilometer verschieben, was das Risiko von Kollisionen erhöht und dazu führt, dass einige der niedrigsten Satelliten aus der Umlaufbahn geraten