Sonneneruptionen - Sonnenstürme

Unsere Sonne hat aktivere und ruhigere Phasen – diese wiederholen sich in einem 11-Jahres Zyklus. Die Anzahl der Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche schwankt zwischen 0 in ruhigen Phasen und bis zu etwa 100 im solaren Maximum. Der Sonnenwind (geladene Teilchen, die von der Sonne in die Heliossphäre emittiert werden), ist zu Zeiten höherer Aktivität wesentlich stärker als in ruhigeren Phasen des Aktivitätszyklus. Zu jedem Zeitpunkt jedoch kann es auch zu wesentlich stärkeren Eruptionen kommen. Diese sind zwar in einer aktiven Phase wahrscheinlicher, aber auch in einer ruhigen Phase möglich. Dies kann z.B. zu Störungen bei Satelliten führen. Die Entstehung von Polarlichtern ist ebenfalls Folge einer hohen Sonnenaktivität. Dieses Phänomen tritt besonders häufig im Höhepunkt des Akvitätszyklus auf und ist manchmal auch in Deutschland zu beobachten.

Solare Partikel Ereignisse (SPE)

Solare Partikel Ereignisse werden durch plötzliche, sporadische Eruptionen der Sonne ausgelöst. Dabei unterscheidet man zwischen Solar Flares (SF) und koronalen Massenauswürfen (CME – Coronal Mass Ejections). Beide bezeichnet man auch als Stürme bzw. Sonnenstürme.

Bei koronalen Massenauswürfen werden enorme Mengen von Teilchen in Form von Teilchenwolken emittiert und in auftretenden Schockwellen stark beschleunigt (sog. Fermi-Schockbeschleunigung). Sie bestehen hauptsächlich aus Protonen, die bei starken Ereignissen Energien bis in den GeV-Bereich aufweisen können. Die schnellen Partikel erreichen die Erde vor dem eigentlichen CME. Wenn der CME die Erde passiert, können starke induktive Ströme erzeugt werden die ganze Leitungsnetze ausfallen lassen oder stark beschädigen können. Der massive Fluss an geladenen Teilchen führt zu einer Störung des Magnetosphäre bzw. zum Zusammenbruch der schützenden Wirkung des Erdmagnetfelds.

Carrington Ereignis

Im Jahre 1859 beobachtete der Astronom Richard Carrington Ende August und Anfang September mehrere starke Sonneneruptionen. Etwa 18 Stunden nach der Eruption erreichten die Teilchen die Erde und lösten den bisher stärksten geomagnetischen Sturm aus, der je beobachtet wurde. Es gab Polarlichter zu sehen selbst in Rom und auf Hawaii. Das Telegrafennetz in höheren Breiten Nordamerikas und Europas wurde teilweise durch Induktion von Spannungen beschädigt.

Dieses sogenannte Carrington Ereignis (Carrington scale event) hätte in unserer heutigen Welt wahrscheinlich dramatische Auswirkungen, denn Kommunikations- und andere Satelliten, Mikroelektronik und die Energie- und sonstige Infrastruktur könnten massive Schäden erleiden. Die Stromversorgung, und damit auch die Wasserversorgung könnten ausfallen, ebenso Kommunikationsnetze usw.. Stürme dieser Größenordnung sind aber glücklicherweise selten – die Gefahr die von Ihnen für unser heutiges Leben auf der Erde ausgeht ist allerdings erheblich.

Im Juli 2012 gab es ein solches Carrington Ereignis – eine massive Sonneneruption – die die Erde nur um wenige Tage verfehlte. Statistisch gesehen ist etwa alle 150 Jahre damit zu rechnen, dass die Erde von einem Carrington-Scale Event getroffen wird … er ist also überfällig.

Solar Flares

Bei Solar Flares handelt es sich um ein kurzes „Aufflackern“ der Sonne – ein Ausbruch elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht, UV-Strahlung und Röntgenstrahlung) sowie geladener Teilchen, vor allem Elektronen. Sie lösen aber nur selten eine zusätzliche Strahlenexposition in Reiseflughöhen aus.

Sie treten aber häufig im Verbund mit koronalen Massenauswürfen (CME) auf.

Koronale Massenauswürfe und Flugverkehr

Sonnenstürme haben natürlich auch Einfluss auf die Strahlung in Reiseflughöhen. Die Sonne schleudert geladene Teilchen (Plasma) durch den Weltraum, welches dann auf das Magnetfeld der Erde trifft und dieses verformt und durchdringt.

Wird die Erde nach einer Sonneneruption von einem Sonnensturm getroffen, was nicht selten ist, hat dies normalerweise auch Auswirkungen auf das Strahlenfeld in Reiseflughöhen.

Ist der Teilchenstrom niederenergetisch werden die Teilchen in den Luftschichten oberhalb der Reiseflughöhen von der Atmosphäre absorbiert sowie vom Erdmagnetfeld abgeschirmt. Da jedoch der starke Sonnenwind die galaktische kosmische Komponente der Strahlung moduliert (in diesem Fall schwächt), kommt es zu einer Senkung der Ortsdosisleistung in Reiseflughöhen. Man nennt das nach dem Entdecker dieses Effekts einen Forbush Effekt, bzw. einen Forbush-Decrease.

Üblicherweise sind bei solchen Sonnenstürmen starke Nordlichter bzw. Polarlichter zu sehen, auch in südlicheren Breiten.

Sollte der Teilchenstrom allerdings auch höherenergetische Komponenten haben oder gänzlich aus hochenergetischen geladenen Teilchen bestehen kann sich die Ortsdosisleistung in Reiseflughöhen massiv erhöhen. Dergestalt, dass innerhalb weniger Stunden eine Dosis in der Höhe eines Jahresgrenzwertes für beruflich strahlenexponierte Personen appliziert werden kann. Das Magnetfeld der Erde kann in so einem Fall kollabieren und jeglicher Schutz entfällt. In so einem Fall würden Forscher versuchen, die Strahlendosis im Nachhinein anhand von Satellitendaten und Daten von Neutronenmonitoren zu ermitteln. Neutronenmonitore sind Detektoren für Neutronen in Messstationen am Boden, die die in der Atmosphäre erzeugten Neutronen messen. Erreicht ein koronaler Massenauswurf die Oberfläche der Erde spricht man von einem Ground Level Event – einem GLE.

Die Gefahr für die Fliegerei besteht hierbei einerseits aus einer möglichen hohen Strahlenbelastung, andererseits aber auch der Möglichkeit von Ausfällen von Bordsystemen oder Satelliten für Navigation und Kommunikation.

Polarlichter - Nordlichter

Wenn ein Sonnensturm die Erde trifft, bzw. generell bei hoher Sonnenaktivität werden oft Polarlichter erzeugt. Dabei werden Atome der Atmosphäre angeregt und leuchten. Sauerstoffatome in etwa 100 km Höhe leuchten dabei grün, in 200 km Höhe leuchten sie orange bis rot. Blau/violette Polarlichter sind selten. Sie entstehen bei Anregung von Stickstoffatomen, wofür viel Energie notwendig ist.

Weltraumwetter

Unter anderem von der Nasa und anderen Organisationen wie der National Oceanic and Atmospheric Administration werden Informationen bezüglich der Aktivität der Sonne bzw. der Sonnenoberfläche veröffentlicht. Es gibt Warnungen auch bevor ein Sonnensturm die Erde treffen kann. Sogar die Wahrscheinlichkeit für Polarlichter wird veröffentlicht und Informationen über Auswirkungen von Sonneneruptionen auf das Magnetfeld der Erde. Man bezeichnet dies allgemein als „Weltraumwetter“

Astrophysiker und andere Forschende der Nasa am Goddard Space Flight Center und an anderen Stellen beobachten die Sonnenoberfläche, die Sonnenatmosphäre und Korona während des gesamten Sonnenzyklus, um rechtzeitig vor einer Gefahr eines Sonnensturms warnen zu können. Dies ist besonders wichtig für Astronauten im All, die der Strahlung ungeschützt ausgesetzt wären.

Durch diese jederzeit erhältlichen Informationen ist es jedermann möglich, sich ein Bild vom aktuellen Stand der Sonne, der Sonnenaktivität und dem Magnetfeld der Erde zu machen.

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