![]() |
Wirkung
von Sonneneruptionen
auf die Erde (Weltraumwetter)
|
Wissenschaftler haben
abgeschätzt, dass allein bei
Satelliten der amerikanischen Regierung jährlich rund 150
Ausfälle
auf Sonneneruptionen zurückzuführen sind. Wenn man
bedenkt, wie
abhängig die Zivilisation von Satelliten ist, kann man sich
vorstellen,
dass gewaltige Eruptionen einen großen volkswirtschaftlichen
Schaden
anrichten können.
Flares, CMEs, Sonnenwind und kosmische Strahlung beeinflussen durch ihre Teilchen bzw. Strahlung den erdnahen Weltraum. Die Erscheinungen und Veränderungen, die daraus resultieren, werden unter mit dem Sammelbegriff Weltraumwetter geführt. Auf die äußerst komplexen Wechselwirkungen der Magnetosphäre, Ionosphäre und weiterer Phänomene, die das Weltraumwetter beeinflussen, wird hier nicht eingegangen. Jedoch ist, durch die zunehmende Zahl der Satelliten und fortschreitenden bemannten Raumfahrt, das Weltraumwetter Bestandteil intensiver Forschungen, siehe auch: "Das Weltraumwetter, Physik in unserer Zeit 1999/Nr.6 Seite 240).
Schematische Darstellung der irdischen Magnetosphäre mit
Satelliten
zu ihrer Erforschung. Der anströmende Sonnenwind ist durch die
gelb-roten
Pfeile (SW) gekennzeichnet. Die blaue Hülle (BS) kennzeichnet
die
"Bugstoßwelle", an der der Sonnenwind von
Überschall- auf Unterschallgeschwindigkeit
abgebremst wird. Die schwarzen Linien stellen die Magnetfeldlinien des
Erdmagnetfeldes (innerhalb) und des interplanetaren Magnetfeldes
(außerhalb)
dar. Angedeutet ist auch die Verschmelzung beider. Im Schweif der
Magnetosphäre
ist die Bahn eines Teilchens eingezeichnet, das sich
spiralförmig
auf die Erde zu bewegt.
aktuelles
Weltraumwetter
Flares und das Weltraumwetter
In der Vergangenheit sind Flares
bezüglich ihrer
Auswirkungen auf das Weltraumwetter überbewertet worden. Der
Grund
dafür liegt in der relativ einfachen
Beobachtungsmöglichkeit
der Flares. Während CMEs, die nicht direkt von der Erde
beobachtet
werden können, erst in den letzten Jahren genauer untersucht
werden
können, werden Flares schon relativ lange aufgezeichnet. Die
Schlußfolgerung,
Flares wären für die magnetischen Stürme
verantwortlich,
erwies sich als falsch. Es gibt CMEs ohne assoziierte Flares, die magn.
Stürme auslösen, aber Flares ohne CMEs verursachen
keine magnetischen
Stürme. Die Verwirrung ist dadurch entstanden,
dass bei sehr
großen Ereignissen Flares und CMEs immer gemeinsam auftreten.
Es sind die CMEs, die mit
ihren riesigen
Gaswolken (Gesamtmassen von einigen 10^13 kg) und hohen
Teilchengeschwindigkeiten
für die magnetischen Stürme verantwortlich sind.
Dennoch beinflussen
Flares das Weltraumwetter. Zum Beispiel werden die oberen
Luftmoleküle
durch die von Flares emittierte Strahlung verstärkt ionisiert.
Effekte des Weltraumwetters
Aufgrund der oben erwähnten komplexen
Zusammenhänge, die das
Weltraumwetter beeinflussen, sind die Auswirkungen nicht immer
eindeutig.
Es macht keinen Sinn, wie in einigen älteren
Veröffentlichungen
üblich, ausschließlich Flares auf ihre
Wirkung auf technische
und biologische Systeme zu untersuchen. Daher sind auf dieser Seite
einige
bekannt gewordenen Effekte extremer Weltraumwetterbedingungen
zusammengestellt,
sei es aufgrund von Flares, CMEs, Sonnenwind oder kosmische
Strahlung.
Strahlung
Obwohl Flares im allgemeinen das sichtbare weiße
Licht der Sonne
nur wenig beeinflussen, ist die aufflackernde Radio- und
Röntgenstrahlung
oft mehrere 1000mal energiereicher als die normale Strahlung bei diesen
Wellenlängen. Nach ca. acht Minuten trifft die
erhöhte Röntgen-
und UV-Strahlung die Erde und führt zu dramatischen
Veränderungen
in der Ionosphäre, wobei der Funkverkehr gestört
werden kann.
Durch die Ultraviolett- und
Röntgenstrahlung kann die
Temperatur in der oberen Atmosphäre auf das Dreifache
ansteigen, worauf
sich die Atmosphäre ausdehnt und somit Satelliten
gefährdet,
die dann durch Luftmoleküle gebremst werden und
abstürzen können.
Das Bild zeigt eine gewaltiges Sonnenflare von März 1989, bei dem die Energie von etwa 10 Mrd. Megatonnen Sprengkraft frei wurden.
1kt TNT entspricht 10^12 cal oder 1 163 000 kWh, für den Flare gilt der 10-billionenfache Wert. (11,63 Trilliarden Wh)
Noch
ein Flarebild (März 1989)
1980 wurde zum Sonnenfleckenmaximum der Satellit SMM (Solar-Maximum-Mission) gestartet. Sechs der sieben Instrumente an Bord wurden entwickelt, um die komplette Entwicklung eines Flares aufzeichnen zu können. Der Satellit hatte Anfangs eine Fehlfunktion und mußte repariert werden. Er war erst fünf Jahre im Einsatz, bevor er 1989 zerstört wurde. Im März 1989 ereigneten sich einige äußerst gewaltige Flares (siehe Bild oben) bzw. CMEs. Darauf dehnte sich die Lufthülle der Erde aus und bremste den Satelliten ab. Damit war der Satellit nicht mehr kontrollierbar und verglühte schließlich im Dezember in den dichteren Luftschichten. Viele weitere Satelliten sowie das Weltraumlabor Skylab sind auf diese Weise verlorengegangen (Sonnenaktivität 1979).
Das US-Verteidigungsministerium und vor allem die Luftwaffe
sind an
einen Untersuchung der Sonnenflares besonders interessiert, da sie den
Lebensnerv - eine möglichst lückenlose,
erdumspannende Kommunikation
- empfindlich treffen könnten. Siehe auch Versuche
in großer Höhe.
Hochenergetische Teilchen
(hauptsächlich durch CMEs
und kosmische Strahlung)
Knapp
eine Stunde bis wenige Tage nach einer CME erreichen die
gefährlichen,
weil hochenergetischen (bis 1/4 der Lichtgeschwindigkeit) geladenen
Teilchen
die Erde. Teilweise wird die Erde durch ihr Magnetfeld
geschützt.
Befinden sich jedoch zu diesem Zeitpunkt Astronauten
außerhalb der
irdischen Magnetosphäre, können sie eine
tödliche Strahlendosis
erhalten. Auch die Elektronik und Solarzellen von Satelliten
können
durch das Bombardement Schaden nehmen. Der Teilchenregen kann wie die
Strahlung
die irdische Lufthülle erwärmen, die sich als Folge
davon nach
oben hin ausdehnt.
Am 7. November 1997 nahm das SOHO- Instrument LASCO- C3 den
Lichtblitz
eines gewaltigen Masseauswurfs CME auf. Kapp eine
Stunde danach
trafen energiereiche Protonen und Elektronen bei SOHO ein. Die Teilchen
durchdrangen die Instrumentenwände und prasselten auf die
CCD-Chips
der verschiedenen Kameras. Dadurch entstanden Bilder wie in einem
Schneegestöber,
das erst nach Stunden wieder abklang. Siehe auch die
Aufzeichnungen
von COSTEP
und ERNE
zu dieser Zeit.
Die Erde ist einem permanenten Teilchenregen ausgesetzt. Doch glücklicherweise ist Erde durch das irdische Magnetfeld und die Atmosphäre weitgehend davor geschützt. Je höher und je näher man den Polen kommt um so höher wird die Stahlendosis. Das Gesundheitsrisiko ist am größten für Vielflieger, Piloten und Flugpersonal, die oft in Polnähe kommen. Die Wahrscheinlichkeit tödlich an Krebs zu erkranken ist für Menschen, die 20 Jahre fliegen, ca. 1% höher. Also viel höher als bei passivem Rauchen, aber kleiner als das Krebsrisiko eines durchschnittlichen Rauchers. Bei Astronauten und Militärpiloten in noch größeren Höhen sind die Gefahren noch mal um ein Vielfaches größer. Ein Fachmann der Kernwaffenagentur der USA sagte, dass man hochfliegende Menschen mit Drogen versorgen kann, so dass sie eine tödliche Strahlendosis kurzfristig überleben.Wegen des möglichen genetischen Schadens möchte man, daß Astronauten möglichst alle ihre Kinder zeugen, bevor sie in den Weltraum fliegen. Vermutlich liegt es an den Hormonen, dass Männer strahlungsresistenter sind als Frauen. Der Widerstand ist im Alter zwischen 45 und 50 Jahren am größten. Die meisten Astronauten sind männlich und genau in diesem Alter.
Der bisherige Schutzschild eines
typischen Raumfahrzeugs
genügt nicht, um den Menschen ausreichend gegenüber
der Strahlung
abzuschirmen. Glücklicherweise ereigneten sich große
Flares
bzw. CMEs im August 1972 zwischen den beiden bemannten
Mondflügen
im April und Dezember (Apollo 16 und 17); sie wären
für die Astronauten
an Bord ihres relativ ungeschützten Gefährts
eventuell tödlich
gewesen. Daher ist auch die lange Reise zum Mars recht risikoreich. Den
ca. neun Monate dauernden Hinflug könnten die Astronauten
geschützt
durch die das Raumschiff umgebene Tanks sogar noch überleben.
Astronauten
zurückzubringen, die noch lange leben, ist jedoch
äußerst
schwierig.
Eine weitere Folgeerscheinung der geladenen Teilchen sind die Polarlichter. Polarlichter (eng. aurora borealis/australis) sind farbige Leuchterscheinungen, die durch Anregung und Ionisation der oberen Atmosphäre in hohen geographischen Breiten infolge einströmender Elektronen und Protonen aus chromosphärischen Eruptionen (CMEs), vorwiegend in Höhen zwischen 100 und 300 km, entstehen. Polarlichter treten in zwei etwa 5° breiten ovalförmigen Gürteln (auroral ovals) auf. Diese Ovale sind asymmetrisch um die geometrischen Pole verteilt. Während des Tages sind sie etwa 15° in geographischer Breite von den Polen entfernt, dieser Wert steigt während der Nacht auf 23° an. Ihre Lage und Ausdehnung ändert sich mit der geomagnetischen Aktivität. Zu Zeiten heftiger Sonnenaktivität kommt es vor, daß Polarlichter auf Kuba, in Mexiko City und sogar in Singapur beobachtet werden können. In Deutschland soll es dadurch früher vorgekommen sein, dass die Feuerwehr zum jeweils nördlichen Dorf fuhr, da man glaubte, es sei ein Großbrand ausgebrochen.
Bilder von Polarlichtern
Die Aufnahmen wurden von der Raumfähre Discovery gemacht, die im Auftrag des US Verteidigungsministerium untersuchen sollte, wie die Polarlichter die Frühwarnsysteme für Interkontinentalraketen stören können. Eine Raumfähre flog sogar einmal durch ein Polarlicht hindurch. Während der Durchquerung sahen die Astronauten Lichtblitze, auch wenn sie ihre Augen geschlossen hielten. Die geladenen Teilchen gingen durch die Wände der Raumfähre und den Augapfel, reagierten mit Atomen des Körpers und erzeugten dabei die Blitze.
Magnetische Stürme
Zwei bis drei Tage nach einem CME kann sich eine sog. magnetische Stoßfront bilden. Sie entsteht durch Materie, die mit hoher Geschwindigkeit von der Sonne weggeschleudert wird und auf die Magnetosphäre trifft. Im Bild sieht man, wie die Magnetosphäre dabei zusammengedrückt wird.
Entdeckung der Magnetfeldschwankungen
Großbritannien hatte
sein Kolonialreich mit einem
Netz magnetischer Beobachtungsstationen überzogen, u.a. weil
der Kompaß
für die Navigation auf hoher See so wichtig war. Der Kolonel
Edward
Sabine, Superintendant von vier Magnetobservatorien in den britischen
Kolonien,
konnte zeigen, daß globale magnetische Schwankungen mit dem
Sonnenfleckenzyklus
synchronisiert sind. Gelegentlich schwankten Kompaßnadel
rasch und
deutlich, diese Phänomene wurden geomagnetische
Stürme genannt.
Durch heftige CMEs kann die Magnetosphäre auf der Tagseite auf
die
Hälfte ihrer normalen Größe
zusammengepreßt werden.
Geostationäre Satelliten
(Höhe 36000km) geraten
in Gefahr, wenn ein großer Magnetsturm die
Magnetosphäre soweit
zusammen drückt, dass die Satelliten nicht mehr
geschützt werden.
Die Flüsse der Ringstromteilchen erhöht sich um
mehrere Größenordnungen.
Dadurch lädt sich die Oberfläche eines Satelliten
elektrisch
auf, was zu Überschlägen führen kann, sog.
"spacecraft charging".
Tiere, die sich vom Magnetfeld der Erde
leiten lassen
(z.B. Brieftauben), können verwirrt werden.
Die sich ändernden Magnetfelder
können Spannungen
bis zu einem V je km induzieren. Bei langen Fernleitungen kann es
vorkommen,
daß die Transformatoren in Kraftwerken ausfallen.
Während eines
besonders starken geomagnetischen Sturmes am 13. März 1989
fiel praktisch
in der ganzen kanadische Provinz Quebec der Strom aus. Sechs Millionen
Menschen hatten über neun Stunden keinen Strom. Es entstand
ein Schaden
von 500 Millionen Dollar. Auch in langen Ölpipelines werden
Ströme
induziert, was zu Korrosionsschäden führen kann. Es
wurde sogar
nachgewiesen, dass während Magnetstürmen die
Ausfallraten bei
der Herstellung von Halbleiterbauelementen ansteigen.
Inhalt:
Prof. Dr. Gerd Küveler
Webmaster:
Dipl.-Ing. Axel Zuber
E-Mail: axel.zuber@hs-rm.de