Ausbrüche im Januar: Sonnenstürme nehmen zu – das könnte damit drohen

Schon drei Ausbrüche im Januar: Sonnenstürme nehmen zu – das könnte der Erde damit drohen

Daniel Huber

Wie ein gigantischer Reaktor versorgt die Sonne unseren Planeten mit Licht und Wärme. Doch unser Zentralgestirn strahlt nicht immer mit derselben Intensität; seine Aktivität schwankt zyklisch. In Zeiten erhöhter Aktivität sind Sonnen-Eruptionen viel häufiger – wie sich jetzt gerade zeigt: Anfang Januar ereigneten sich gleich drei Ausbrüche der höchsten Stufe auf der Skala. Keine dieser Eruptionen traf die Erde, doch Astronomen sehen keinen Grund zur Entwarnung.

Wenn die Schockwelle einer Sonnen-Eruption das Magnetfeld der Erde trifft, spricht man von einem Sonnensturm. Ist dieser sehr stark, können geladene Teilchen sogar den Boden erreichen und die elektrische Infrastruktur lahmlegen – mit katastrophalen Folgen, wie Experten befürchten.

Ein Sonnenflare – der Lichtblitz in der Bildmitte – und eine Plasma-Eruption gleich darunter. Bild: NASA/SDO

Was ist der Sonnenwind?

Neben der für uns wahrnehmbaren Licht- und Wärmestrahlung geht ein stetiger Strom von geladenen Teilchen von der Sonne aus ins All, der Sonnenwind. Die Partikel, vornehmlich Protonen und Elektronen, heizen sich in der Korona der Sonne so stark auf, dass sie die Gravitation überwinden und mit Geschwindigkeiten von 400 bis 800 Kilometer pro Sekunde ins All schiessen. Daneben enthält der Teilchenstrom auch Partikel mit höherer Energie, doch diese sind viel seltener.

Durch den Sonnenwind verliert die Sonne pro Sekunde rund eine Million Tonnen Material, was jedoch im Verhältnis zu ihrer enormen Masse vernachlässigbar ist. Der kontinuierliche Teilchenstrom bildet eine Art Blase im interstellaren Medium, die Heliosphäre, die an ihrem Rand einen Teil der kosmischen Strahlung aus der Galaxis reflektiert.

Die Magnetosphäre schirmt die Erdoberfläche gegen die geladenen Partikel des Sonnenwindes ab.Illustration: Wikimedia

Der Strom trifft zudem auf die Erde, die jedoch durch ihr Magnetfeld und die Atmosphäre gut gegen das Bombardement geschützt ist. Die Teilchen des Sonnenwinds stauchen die Erdmagnetosphäre auf der sonnenzugewandten Seite; auf der abgewandten Seite ziehen sie sie zu einem langen Schweif aus. Die geladenen Partikel aus dem Sonnenwind und der kosmischen Strahlung werden vom irdischen Magnetfeld so abgelenkt, dass sie in einem Abstand von rund zehn Erdradien (70'000 km) in einer Art Ring um die Erde kreisen – dem Van-Allen-Gürtel.

Was haben Polarlichter mit dem Sonnenwind zu tun?

Polarlichter sind normalerweise nur in höheren Breiten in Polnähe zu sehen. Bild: AP

Die Feldlinien des Magnetfelds treten in der Nähe von Nord- und Südpol in die Erde ein. Die geladenen Teilchen des Sonnenwinds und der kosmischen Strahlung folgen diesen Feldlinien, die sie auf winzigen Spiralbahnen umkreisen, und gelangen so in Polnähe in die Atmosphäre. Wenn sie auf Sauerstoff- und Stickstoffatome in den oberen Schichten der Erdatmosphäre treffen, ionisieren sie diese. Bei der Rekombination, der Aufhebung der Ionisierung, kommt es zu einem Leuchteffekt – dem Polarlicht, das manchmal mit blossem Auge zu sehen ist, wenn ein stärkerer Teilchenstrom in die Atmosphäre eindringt. Starke Sonnenstürme können das Erdmagnetfeld so stark verformen, dass diese Effekte nicht nur in Polnähe, sondern auch in niedrigeren Breiten auftreten, etwa in Deutschland oder Italien.

Was ist eine Sonnen-Eruption?

Die Sonne ist keine völlig gleichförmige Gaskugel, sondern besitzt eine Atmosphäre, die sehr turbulent ist. In Gebieten mit hoher magnetischer Feldstärke in der Chromosphäre und der Korona, den äussersten Schichten der Sonne, kann es zur Bildung von riesigen Plasma-Magnetfeldbögen kommen. Diese sogenannten Flares, die enorme Mengen elektromagnetischer Strahlung aussenden, treten vornehmlich in Zonen der Sonnenoberfläche auf, in denen sich Sonnenflecken zeigen. Sie können zu einer Art magnetischem Kurzschluss führen: Die Magnetfeldlinien, die das Plasma sonst in ihren Bögen einschliessen, brechen lokal auf und verbinden sich neu. Dabei können gewaltige Mengen von Plasma ins All geschleudert werden.

Ein Sonnenflare links oben auf der Sonne, aufgenommen am 10. Januar 2023.GIF: NASA/SDO

Anhand ihrer Röntgenstrahlungsenergie werden Flares logarithmisch in die Klassen A, B, C, M und X eingeteilt, wobei jede Klasse in 10 Stufen unterteilt ist (ausser X). Die bisher grösste je gemessene Sonneneruption ereignete sich im September 2003 und wurde mit X45 klassifiziert. Manche Astronomen glauben, dass die Sonne auch sogenannte Superflares produzieren könnte, die bis zu eine Million Mal stärker sind. Auf anderen Sternen wurden solche Superflares bereits beobachtet.

Bei Sonnen-Eruptionen kommt es zu drei Vorgängen, die sich unterscheiden lassen:

• Hochenergetische Teilchen: Diese Teilchen, meist Protonen, werden mit einer Geschwindigkeit von etwa 10 bis 20 Prozent der Lichtgeschwindigkeit abgestrahlt. Wenn sie in Richtung der Erde gesendet werden, benötigen sie rund eine Stunde, um dort anzukommen.
• Röntgenblitz: Jene Teilchen, die in Richtung Sonnenoberfläche abgestrahlt werden, werden dort abgebremst, wobei sie Bewegungsenergie in Form von Röntgenstrahlung abgeben. Der Röntgenblitz breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus, überholt deshalb die hochenergetischen Teilchen und kommt nach etwa acht Minuten auf der Erde an. Er ist daher das erste Anzeichen eines bevorstehenden Sonnensturms.
• Plasmawolke: Diese sogenannten koronalen Masse-Auswürfe (KMA) bestehen aus geladenen Teilchen – Protonen, Elektronen und weiteren Atomkernen – und bewegen sich mit rund 1000 Kilometern pro Sekunde durchs All. Eine solche Plasmawolke benötigt also etwa ein bis zwei Tage bis zur Erde. Obwohl die Wolke nicht selten so viel Masse wie der Mount Everest enthält, ist sie dünner verteilt als in einem Vakuum. Gleichwohl ist es die Plasmawolke, die für die meisten Auswirkungen eines Sonnensturms verantwortlich ist.

Was ist ein Sonnensturm?

Als Sonnensturm bezeichnet man die Folgephänomene, die auf der Erde einsetzen, wenn diese von der Strahlung und den Teilchen einer Sonnen-Eruption getroffen wird. Sie bestehen in einer Störung des irdischen Magnetfelds, die etwa 24 bis 36 Stunden andauert, in Einzelfällen aber auch mehrere Tage andauern kann. Wenn die Schockfront aus elektrisch geladenen Teilchen auf die Magnetosphäre trifft, wird das Erdmagnetfeld abgeschwächt; nach rund 12 Stunden erreicht es sein Minimum.

Unterschieden werden in der Regel drei Phasen eines Sonnensturms:

• Anfangsphase: Das Magnetfeld schwächt sich innerhalb einiger Dutzend Minuten um etwa 20 bis 50 nT (Nanotesla) ab. Diese Phase tritt nicht bei jedem Sonnensturm auf, während umgekehrt nicht jede Magnetfeld-Abschwächung einen Sonnensturm ankündigt.
• Sturmphase: Ab einer Schwächung des Magnetfelds, die grösser als 50 nT ist, beginnt die Sturmphase. Bis zu 100 nT gilt die Schwächung als moderat, bis zu 250 nT als intensiv; was darüber hinausgeht, gilt als «Supersturm». Diese Phase dauert meist einige wenige Stunden, danach beginnt das Magnetfeld wieder stärker zu werden.
• Erholungsphase: Sie umfasst den Zeitraum von der erneuten Stärkung des Magnetfelds, bis dieses seinen Normalwert wieder erreicht hat. Diese Phase kann zwischen acht Stunden und einer Woche dauern.

Welche Auswirkungen hat ein Sonnensturm?

Der Röntgenblitz einer Sonneneruption kann auf der Erde zu Radiostörungen führen. Dazu kommen Strahlungseffekte, die durch hochenergetische Teilchen verursacht werden, und geomagnetische Effekte, die durch die Plasmawolke ausgelöst werden.

Wenn ein Sonnensturm das Magnetfeld der Erde quetscht, können die energiereichen geladenen Teilchen weit in die Erdatmosphäre eindringen und selbst den Boden erreichen. Polarlichter sind dann auch in niedrigeren Breiten zu sehen. Die globale Verformung des irdischen Magnetfelds kann jedoch in Hochspannungsleitungen – früher auch Telegrafenleitungen – starke Ströme induzieren und dadurch erhebliche Schäden anrichten. So können etwa Transformatoren zerstört werden und dadurch weite Teile des Stromnetzes ausfallen.

Dies zeigte sich 1859, als der bisher mächtigste Sonnensturm beobachtet wurde, das sogenannte Carrington-Ereignis: In höheren Breiten von Nordamerika und Europa schossen Starkströme durch die Telegrafenleitungen, die entstehenden Funken setzten Telegrafenpapiere in Brand, in Schweden kam es zu Waldbränden. Das Telegrafennetz wurde massiv beeinträchtigt.

Für die heutige Infrastruktur, die viel stärker von elektrischem Strom abhängt, wäre ein Sonnensturm von dieser Stärke ungleich verheerender. Wie weitreichend die Folgen sein können, zeigt der heftige Sonnensturm, der im Mai 1967 die Radaranlagen des amerikanischen Raketenfrühwarnsystems störte und dadurch beinahe einen Atomkrieg auslöste.

Die geladenen Teilchen können durch ihre ionisierende Wirkung Schaltkreise von Computerchips elektrisch aufladen. Das kann zu einer Fehlfunktion des Chips führen. Diese Gefahr ist für Satelliten im Orbit naturgemäss viel grösser; deren Computer müssen deshalb speziell geschützt werden. Satelliten sind den Auswirkungen eines Sonnensturms ohnehin stark ausgesetzt; so können ihre Solarzellen, die der Energieversorgung dienen, dauerhaft beschädigt werden. Die energiereiche Strahlung heizt zudem die äussersten Schichten der Erdatmosphäre auf, die sich dadurch ausdehnt. Dies kann erdnahe Satelliten abbremsen.

Probleme kann es auch mit dem GPS-Dienst geben. Da die Erdatmosphäre besonders in höheren Breiten in rund 100 bis 150 Kilometer Höhe stärker ionisiert wird als sonst, werden die Kommunikationssignale der GPS-Satelliten, die diese Schicht durchqueren müssen, geringfügig verzögert. GPS-Geräte können dadurch ihren Standort fehlerhaft berechnen.

Wie gross ist die Gefahr derzeit?

Sonnen-Eruptionen sind häufiger, wenn die Sonne sich in einer Phase erhöhter Aktivität befindet. Diese korreliert mit der Anzahl der dunklen Sonnenflecken auf der sichtbaren Oberfläche: Sie sind besonders zahlreich, wenn die Sonne besonders aktiv ist. Sonnen-Eruptionen sind dann nicht nur zahlreicher, sondern auch heftiger. Allerdings kann es vereinzelt auch im Aktivitätsminimum zu starken Sonnen-Eruptionen kommen.

Die Aktivität der Sonne verläuft in Zyklen: Gewaltige Plasmaströme schwemmen magnetische Strukturen auf der Oberfläche, die oft mit Sonnenflecken einhergehen, über Jahre hinweg vom Äquator zu den Polen. Dort sinkt das Plasma in die Tiefe und fliesst zurück zum Äquator. Ein Sonnenzyklus dauert etwa elf Jahre. Derzeit befindet sich die Sonne im Zyklus mit der Nummer 25; es handelt sich um eine aktivere Phase als zuvor. Im Juli 2025 dürfte das Maximum des aktuellen Zyklus erreicht sein – für diesen Peak rechnen die NASA und die US-Wetterbehörde NOAA mit 115 Sonnenflecken im Monat, wie die «Washington Post» berichtet. Es gibt freilich Forscher, die doppelt so viele Sonnenflecken voraussagen – und die vorläufigen Ergebnisse sprechen eher für sie.

Anzahl der vorhergesagten (rot) und der tatsächlich beobachteten Sonnenflecken (blau). Das Aktivitätsmaximum tritt demnach 2025 ein. Grafik: NOAA

Auf jeden Fall wird die Anzahl der Sonnenflecken und der Sonnen-Eruptionen in den nächsten Monaten zunehmen. Die Anfang Januar festgestellten Eruptionen der X-Klasse kamen aus zwei Gruppen von Sonnenflecken, die sich in der nächsten Zeit mehr ins Zentrum der Sonnenscheibe bewegen werden. Damit richten sich von ihnen ausgehende Eruptionen auf die Erde. Die Gefahr eines Sonnensturms ist daher grösser als zuvor. Sonnen-Eruptionen lassen sich aber mit den derzeitigen Mitteln nicht voraussagen – doch immerhin gibt es eine kurze Vorwarnzeit, wenn eine beobachtet wird. Zwischen dem Auftreten einer Eruption auf der Sonne und dem Eintreffen der Plasmawolke auf der Erde liegen in der Regel ein bis zwei Tage.

Gibt es ein Frühwarnsystem?

Die Vorhersage einer Sonnen-Eruption ist derzeit nicht möglich, weil die genauen Mechanismen dieses Phänomens bisher nicht geklärt sind. Prognosen basieren daher auf empirischen Methoden: Die Forscher gehen davon aus, dass Sonnenflecken, die bisher Eruptionen produziert haben, auch weitere produzieren werden. Das Verfahren kann jedoch nicht vorhersagen, welche Gruppe von Sonnenflecken aktiv wird und wann ihre Aktivität endet.

GOES-Satellit: Diese Satelliten beobachten die Sonne ständig. Illustration: Wikimedia

Dennoch sind wir den Aktivitäten der Sonne nicht gänzlich schutzlos ausgeliefert. Mehrere Raumsonden und Satelliten beobachten unser Zentralgestirn ständig aus dem All – etwa die Erdsatelliten GOES sowie die Raumsonden SoHO (Solar and Heliospheric Observatory), STEREO und SDO (Solar Dynamics Observatory). Sie können erste Anzeichen einer Sonnen-Eruption erkennen. Mit Daten weiterer Sonden kann dann die Ausbreitungsrichtung und -geschwindigkeit des Sonnensturms berechnet werden. Vorhersagen dieser Art macht etwa das Space Weather Prediction Center (SWPC) der US-Behörde National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).