Der Begriff Weltraumwetter ist analog zu irdischen atmosphärischen Wetterphänomenen definiert und beschreibt Veränderungen des interplanetaren und interstellaren Mediums, die speziell im erdnahen Bereich der Magnetosphäre (bis 50.000 km Abstand zur Erde) wahrgenommen werden. Hauptsächliche Ursachen sind der Sonnenwind und die galaktische kosmische Strahlung der Milchstraße. Durch diese Einflüsse wird der Van-Allen-Strahlungsgürtel beeinflusst und es gelangen in unregelmäßigen Abständen verstärkt Materie, Teilchen- und Strahlungsströme in das Umfeld der Erde. Diese beeinflussen damit die irdische Magnetosphäre, Ionosphäre und Erdatmosphäre.
Aufgrund der umfassenden Auswirkungen auf das irdische Leben stellt das Weltraumwetter ein wichtiges Forschungsgebiet dar. Ziel ist es, die zu Grunde liegenden physikalischen Mechanismen zu verstehen, um derartige Ereignisse vorherzusagen oder zumindest rechtzeitig erkennen zu können, damit dann möglicherweise geeignete Schutzmaßnahmen getroffen werden können.
Ursachen und Phänomene Überblick mini|Schema zum Weltraumwetter Die Erde verfügt über umfangreiche natürliche Schutzmechanismen vor äußeren Einflüssen. So wirken die Magnetosphäre und die Erdatmosphäre als Filter für Materie und Strahlung aus dem Weltraum. Insbesondere die Magnetosphäre als äußerste Schicht stellt ein bedeutendes Hindernis für den Sonnenwind dar und lenkt diesen in einem großen Bogen um die Erde herum. Erst bei starken Einflüssen genügt dieser Schutz nicht mehr und die externen Faktoren werden auf der Erdoberfläche für Menschen spürbar.
Als Hauptursache des Weltraumwetters gelten die Strukturen und Variabilität der Sonnenkorona. Durch koronale Massenauswürfe und Sonneneruptionen werden riesige Mengen Materie freigesetzt. Dabei entstehen enorme Stoßwellen, die den sonst relativ kontinuierlichen Sonnenwind, der Teilchen der Sonne in Richtung der Erde transportiert, abrupt verstärken. Der Sonnenwind übt daher einen wesentlich größeren Druck auf die Magnetosphäre aus. Die daraus resultierenden kurzfristig veränderlichen Erscheinungen werden als Weltraumwetter bezeichnet.
mini|Eruption an der Photosphäre der Sonne (Aufnahme des Hinode-Teleskops)
Flares
Ein Flare kann mittels optischer Hilfsmittel als ein wenige Minuten andauernder Lichtblitz auf der Sonnenoberfläche beobachtet werden. Obwohl das Gebiet auf der Sonne selbst eng begrenzt ist, nimmt die Intensität der Röntgenstrahlung, der energiereichen Protonen und Elektronen (bis etwa 100 MeV) oft um mehr als das Tausendfache zu. Das Abklingen auf den Ausgangswert dauert dann mehrere Stunden. Auf Grund der sehr unterschiedlichen Stärke der einzelnen Flares schwanken auch diese Werte. Bei besonders intensivem Auftreten ist zusätzlich die Freisetzung von Gammastrahlen möglich. Dieses Phänomen ist vor allem in den Jahren der maximalen Sonnenaktivität zu verzeichnen; etwa bis zu zehn Flares am Tag sind dann möglich.
Die Flares werden auf Grund der Lichtgeschwindigkeit mit etwa acht Minuten Verzögerung gegenüber der tatsächlichen Eruption von der Erde aus beobachtet. Gleichzeitig trifft auch die freigesetzte Strahlung ungehindert ein. Die Teilchenströme aber folgen den interplanetaren Magnetfeldlinien und erreichen die Erde daher (je nach der Energie der Teilchen) erst 10 bis 30 Minuten später. Diese einprasselnden Teilchen stellen eine Gefahr für Menschen und Geräte in den oberen Atmosphärenschichten dar. Röntgenstrahlung kann bis in die unterste Schicht der Ionosphäre (etwa 60 bis 90 km über dem Erdboden) vordringen und auch Teilchen werden teilweise erst in einer Höhe von 40 bis 60 km abgebremst.
CME
Unter einem koronalen Massenauswurf (engl. CME – coronal mass ejections) versteht man den Ausstoß großer Mengen Materie (mehrere 10 Milliarden Tonnen) aus der Korona (der äußersten Schicht der Sonnenatmosphäre) in den umgebenden Weltraum. Dies erfolgt in Form von riesigen Gaswolken mit enormer Geschwindigkeit. Im Gegensatz zu den Flares lassen sich CMEs jedoch auch unter Zuhilfenahme optischer Geräte nicht direkt beobachten. Erst der Koronograph, der die eigentliche Sonnenscheibe gezielt abgedeckt und nur Licht der Korona zum Detektor hindurch lässt, macht dieses Phänomen beobachtbar. Aus dieser Tatsache begründet sich auch der spätere Zeitpunkt der erstmaligen Entdeckung 1971 durch Richard Tousey.R. A. Howard: A Historical Perspective on Coronal Mass Ejections. In: Natchimuthukonar Gopalswamy, Richard Mewaldt, Jarmo Torsti (Hg.): Solar Eruptions and Energetic Particles Bd. 16. American Geophysical Union, 2006, ISBN 978-0-87590-430-6, DOI doi.org/10.1029/165GM03 (zum Artikel; PDF; 0,2 MB)
Das Material, das mit dem Sonnenwind Richtung Erde transportiert wird, ist elektrisch geladen. Durch die Interaktion mit dem interplanetaren Magnetfeld wird dieses stark verformt. Das interplanetare Magnetfeld geht von der Sonne aus und breitet sich normalerweise auf Grund der Eigenrotation der Sonne spiralförmig bis zum Rand des Sonnensystems aus. Bezogen auf die Erde liegt es zusätzlich in deren Bahnebene. Durch die geladenen Teilchen einer CME kann dieses Magnetfeld jedoch aus dieser Ebene herausgedreht werden. Entsteht dabei eine Feldkomponente, die den Feldlinien des irdischen Magnetfeldes entgegengesetzt ist, kommt es an der der Sonne zugewandten Seite der Magnetosphäre zu einem Kurzschluss und interplanetares und irdisches Magnetfeld verbinden sich. Längs der entstehenden gemeinsamen Magnetfeldlinien können die geladenen Teilchen der CME nun in die Magnetosphäre eindringen und massive Folgen hervorrufen. Die Häufigkeit der CMEs variiert mit der Sonnenaktivität: In Jahren niedriger Sonnenaktivität gibt es nur einige dutzende starke CMEs; in den aktiven Phasen kann es mehr als hundert CMEs geben.SOHO LASCO CME KatalogH. Cremades, V. Bothmer: On the three-dimensional configuration of coronal mass ejections In: Astronomy and Astrophysics 422/2004. EDP Sciences, S. 307–322, , zum Artikel
Galaktische kosmische Strahlung
Auch die galaktische kosmische Strahlung beeinflusst das irdische Leben. Sie besteht aus extrem energiereichen und somit enorm schnellen Teilchen (mehr als 1 GeV), die ihren Ursprung außerhalb des Sonnensystems, aber innerhalb der Milchstraße haben. Treffen diese Teilchen auf die die Erde umgebenden Schichten, so kommt es zur Ionisation von Atomen und Molekülen in der unteren Stratosphäre und oberen Troposphäre in 10 bis 20 km Höhe. Wachsen Ionen schnell genug, könnte dies zur Bildung von Kondensationskernen führen – der Grundlage der Wolkenentstehung.Franck Arnold: Wolken unter kosmischen Einfluss. In: MaxPlanckForschung 1/2003, S. 7–8, Die Vermutung, dass kosmische Strahlung so Einfluss auf das irdische Wetter und Klima nimmt, ließ sich bislang durch Beobachtungen nicht sicher bestätigen. Es entsteht auch eine sekundäre kosmische Strahlung durch Teilchenanregung. Daraus resultiert eine erhöhte Strahlenexposition für die Luftfahrt und das Flugzeugpersonal.
Die Intensität der Strahlung schwankt antizyklisch zur Sonnenaktivität. Bei Phasen hoher Sonnenaktivität treten auf der Sonnenoberfläche stärkere Turbulenzen auf. So entstehen im interplanetaren Raum Stoßwellen des Sonnenplasmas. Diese schirmen das innere Sonnensystem schalenförmig ab und schützen es so vor eindringender Strahlung. Dieser natürliche Schutz ist in Phasen niedriger Sonnenaktivität geringer. Die Erde ist dann stärker der kosmischen Strahlung ausgesetzt.
Weitere Ursachen mini|Aufnahme der Korona Neben diesen Teilchen- und Strahlungsströmen der Sonne und der Milchstraße wirken weitere Faktoren auf das Weltraumwetter. Kosmische Katastrophen im Sonnensystem, der Milchstraße oder auch extragalaktischer Natur, wie beispielsweise eine Supernova, können ebenfalls Einfluss auf das Weltraumwetter haben. So erzeugt eine Supernova sehr hohe Intensitäten an Röntgen- und Gammastrahlung. Extragalaktische kosmische Strahlung kann wegen ihrer extrem hohen Energien (> 1020 eV) einen besonders starken Einfluss auf das irdische Leben haben. Dieser Faktor ist in den letzten Jahrtausenden jedoch anscheinend relativ konstant geblieben.
Deutlich wird der Einfluss kosmischer Ereignisse an sogenannten Gamma-Ray-Bursts. Ein Gamma-Ray-Burst (oder auch Gammablitz) äußert sich in einem extrem kurzen, sehr hellen Aufleuchten eines Objekts, bei dem gewaltige Energiemengen freiwerden. Als Ursache für diesen Vorgang werden heute Kollisionen von Neutronensternen sowie spezielle Supernovaeexplosionen (sogenannte Hypernovae) diskutiert. Obwohl die emittierte Gammastrahlung die irdische Biosphäre nicht erreichen kann (die Atmosphäre verhindert ein Eindringen der Strahlung), erzeugt diese Strahlung giftige Stickoxide, welche eine Zerstörung der Ozonschicht zur Folge hätten (vgl. Gammablitz). Würde ein Gammablitz in der Nähe des Sonnensystems stattfinden, so würde dabei die Ozonschicht für mehrere Jahre zerstört: Erhebliche Strahlenschäden des irdischen Lebens wären die Folge.
Auswirkungen mini|Maunder-Minimum zwischen 1645 und 1715 Heute existieren viele Technologien, die durch das Weltraumwetter beeinflusst werden können. Durch Zerstörung der Bordelektronik kann energiereiche Partikelstrahlung die Übertragung von TV- oder Mobilfunk-Satelliten direkt unterbrechen. Auch die Ausbreitungsbedingungen für die in Telekommunikations- und Navigationssystemen genutzten Funkwellen können sich unter dem Einfluss des Weltraumwetters verschlechtern. Nach Schätzungen verschiedener Wissenschaftler soll es allein durch Einflüsse und Änderungen des Weltraumwetters auf US-amerikanischer Seite 150 Ausfälle von Satelliten pro Jahr geben.R. Schwenn, K. Schlegel: Sonnenwind und Weltraumwetter. In: Spektrum der Wissenschaft Dossier – Die Trabanten der Sonne 3/2001, S. 15–23, (; PDF; 0,4 MB) Auch für das Klima wird eine Kopplung an interplanetare Phänomene untersucht. Es gibt Vermutungen, dass sie während der „Kleinen Eiszeit“ im Zeitraum des Maunderminimums von 1665 bis 1715 regional eine Rolle gespielt haben könnten, in diesem Zeitraum korrelierten eine geringe Sonnenaktivität und niedrige Temperaturen. Mögliche Wirkungsweisen sind jedoch nach wie vor spekulativ.Willie Wei-Hock Soon, Steven H. Yaskell: The Maunder Minimum and the Variable Sun-Earth Connection, World Scientific, 2003, ISBN 981-238-274-7
Elektromagnetische Strahlung und magnetische Stürme mini|Wirkung der Magnetosphäre Sonneneruptionen verstärken den Fluss hochenergetischer Teilchen zur Erde. Dadurch können auch elektronische Bauteile auf der Erdoberfläche gestört werden. Die Ausschussrate bei der Anfertigung von empfindlichen Halbleiterelementen während der Magnetstürme ist erheblich höher.Thomas Bührke: Jenseits der Milchstraße. Themenheft des BMBF (2000; zum Artikel; PDF; 1 MB) Durch den Aufprall eines CMEs auf die Erdmagnetosphäre kommt es zur Ausbildung von erdmagnetischen Stürmen. Diese sind mit einer raschen Änderung der Richtung und Stärke des Magnetfelds am Boden verbunden. Daraufhin können in ausgedehnten elektrischen Leitern wie z. B. Hochspannungsleitungen oder in Pipelines hohe Ströme induziert werden. Die Störung industrieller Produktionen, wie beispielsweise der Computerchip-Herstellung, Zusammenbrüche von Hochspannungsnetzen und Korrosionen in Öl-Pipelines offenbaren erhebliche Korrelationen zwischen Sonnenaktivität und Auftreten dieser wirtschaftlichen Ausfälle.F. Kneer et al. (Hrsg.): Perspektiven der Erforschung von Sonne und Heliosphäre in Deutschland, Copernicus GmbH, Katlenburg-Lindau 2003, ISBN 3-936586-19-5 (zum Artikel; PDF; 4 MB)