Der Einfluss des Sonnenwinds auf die Erde

Ohne das Licht und die Wärme von der Sonne wäre ein Leben auf unserem Planeten undenkbar. Doch unser nächster Stern hat auch gefährliche Seiten, denn er schleudert pausenlos Materie ins All hinaus – auch in Richtung Erde. Wächst dieser Sonnenwind zum Sturm an, kann das für die moderne Zivilisation ernsthafte Folgen haben.

Satellitenfoto der Sonne. Am linken und rechten Rand schießen Fontänen senkrecht aus der Sonne, links von der Sonne formen die Eruptionen einen filigranen Bogen von ähnlichen Abmessungen wie die Sonne selbst.
Koronaler Massenausbruch

Die Sonne beliefert die Erde mit Licht und Wärme. Diese für uns wahrnehmbare Strahlung macht allerdings nur einen winzigen Teil der Strahlung aus, die von unserem nächsten Stern ausgeht. Neben Photonen, also Lichtteilchen, sendet er nämlich auch geladene Teilchen aus - den Sonnenwind. In der obersten und heißesten Sonnenschicht, der Corona, heizen sich die Partikel derart stark auf, dass sie die Gravitation des Sterns überwinden können. Hauptsächlich handelt es sich um Protonen und Elektronen, die mit Geschwindigkeiten von 400 bis 800 Kilometer pro Sekunde ins All schießen. Einige Sonnenpartikel besitzen aber auch eine millionenfach höhere Energie, wobei Teilchen mit höherer Energie viel seltener sind als mit niedriger. Ingesamt verliert die Sonne durch diesen Teilchenwind pro Sekunde etwa eine Million Tonnen an Material - eine gigantische Menge, doch vergleicht man sie mit der Masse der Sonne von rund 2⋅1030 Kilogramm, dann ist das verschwindend gering.

Sonneneruptionen

Da die Sonne keine völlig gleichförmige Gaskugel ist, sondern eine extrem turbulente Atmosphäre besitzt, kommt es zu teils extremen Ereignissen. Es bilden sich zum Beispiel riesige Plasmabögen aus, sogenannte Flares, wodurch sich die Magnetfeldkonfiguration auf der Sonne lokal ändert und es zum Phänomen der Rekonnexion kommen kann: Magnetfeldlinien brechen auf und verbinden sich neu – eine Art magnetischer Kurzschluss. Bei diesem Prozess werden beträchtliche Plasmamengen, nicht selten von der Masse des Mount Everests, auf extreme Geschwindigkeiten von bis zu 3000 Kilometern pro Sekunde beschleunigt und ins Weltall geschleudert. Physiker sprechen hierbei von koronalen Massenauswürfen. Sowohl Flares als auch Materieausbrüche lassen sich mit Hilfe von Sonnenteleskopen im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich erkennen. Zudem sind bei solchen Ereignissen starke Emissionen im Radio- und Röntgenbereich zu beobachten.

Die Heliosphäre

Der kontinuierliche Partikelstrom von der Sonne treibt durch das gesamte Sonnensystem und trifft dabei natürlich auch auf die Erde. Doch damit nicht genug: Aus dem Rest des Universums prasseln ebenfalls hochenergetische Teilchen auf unseren Planeten. Auf den ersten Blick mag diese kosmische Strahlung zwar nichts mit der Sonne zu tun haben, doch die solare Aktivität beeinflusst die Partikel aus der Galaxis. Der Sonnenwind bildet nämlich eine Blase im interstellaren Medium, die sogenannte Heliosphäre, an deren Rand ein Teil der kosmischen Strahlung reflektiert wird. Variiert der Sonnenwind, so verändert sich auch diese Barriere und damit der Fluss der kosmischen Teilchenstrahlung.

An den anderen Planeten unseres Sonnensystems lässt sich erkennen, wie Sonnenwind und energiereiche Teilchen mit den Himmelskörpern interagieren. Der Merkur, der nur ein sehr schwaches Magnetfeld und keine Atmosphäre besitzt, ist zum Beispiel ein extrem lebensfeindlicher Ort, da Teilchen von der Sonne direkt auf die Oberfläche treffen. Die Venus besitzt zwar eine Atmosphäre aber kein Magnetfeld. Es wird angenommen, dass früher ein Magnetfeld existierte. Nachdem dieses aber nicht mehr vorhanden war, entfernte der Sonnenwind durch Kollisionen auf Teilchenebene leichte Atome aus der Atmosphäre – zurück blieb eine extrem lebensfeindliche Atmosphäre aus Kohlendioxid und Schwefelsäure.

Die Erde besitzt dagegen einen sehr guten Schutz gegen Teilchen aus dem All: Sie verfügt über ein starkes Magnetfeld und eine Atmosphäre. Die geladenen Teilchen aus Sonnenwind und kosmischer Strahlung werden vom Magnetfeld derart abgelenkt, dass sie in einer Art Speicherring um die Erde kreisen, im sogenannten Van-Allen-Gürtel. Hierbei verformen sie das Magnetfeld der Erde – je stärker der Sonnenwind, desto stärker. Diese Änderungen des Magnetfeldes lassen sich auf der Erdoberfläche sogar messen.

In der Nähe von Nord- und Südpol treten die Magnetfeldlinien unseres Planeten in die Erde ein. Die geladenen Teilchen bewegen sich auf kleinen Spiralbahnen um Magnetfeldlinien herum. Entlang dieser Spiralbahnen können sie quasi den Magnetfeldlinien folgen und treffen gemeinsam mit den Feldlinien auf die Atmosphäre. Ein stärkerer Teilchenfluss von der Sonne führt somit auch zu einer größeren Zahl von Teilchen, die an den Polen auf die Atmosphäre treffen. Dieses Bombardement lässt sich gelegentlich auch mit bloßen Augen beobachten: Ionisieren die geladenen Teilchen den Stickstoff in der Atmosphäre flackern die bekannten Polarlichter auf.

Wechselwirkung mit der Technik

Infografik. Links die Erde mit Magnetfeldlinien, die unten aus ihr heraustreten und dann links und rechts in konzentrischen Kreisen nach oben abzweigen, um oben wieder in die Erde einzudringen. Beschreibung für den rechten Teil der Grafik siehe auch Bildunterschrift. Rechts oben die Situation bei normalem Sonnenwind: hier wird das Magnetfeld auf Sonnenseite zusammengedrückt, auf der sonnenabgewandten Seite stark in die Länge gezogen. Rechts unten Situation bei einem Sonnensturm: Das Magnetfeld wird jetzt stärker zusammengedrückt, oberhalb und unterhalb der Erde ragen senkrecht rot dargestellte Feldlinien hervor, die im Gegensatz zu den anderen Feldlinien weniger glatt verlaufen und offen statt geschlossen sind.
Sonnenwind

Abgesehen von diesem imposanten Schauspiel hat der Sonnenwind allerdings eher negative Folgen für die Erde und ihre Bewohner. Technische Anlagen auf der Oberfläche und natürlich im Orbit können durch die hochenergetischen Teilchen oder indirekte Auswirkungen des Sonnenwinds beschädigt werden. Da die Teilchen der kosmischen Strahlung eine ionisierende Wirkung besitzen, sind sie in der Lage, Schaltkreise von Computerchips (hier im wesentlichen Speicherschaltkreise) unerwünscht elektrisch aufzuladen. Das führt zu einem Fehlerstrom und damit möglicherweise zu einer Fehlfunktion des Bauelements. Selbst Neutronen, die nicht vom Magnetfeld der Erde abgelenkt werden, können in Halbleiterbauelementen Kristallbaufehler hervorrufen, durch die ein elektronisches Bauteil ausfallen kann.

In Computerspeichern beobachtete man in den 1980er Jahren erstmals solche Fehler, sogenannte Soft Errors. Der Inhalt der Speicher schien sich ohne erkennbaren Grund zu ändern. In einem Textverarbeitungsprogramm wurde aus einem „A“ zum Beispiel plötzlich ein „B“. Man stellte schon damals fest, dass die Anzahl der geänderten Bits – der Speichereinheiten des Rechners – von der Höhe des Standorts abhing. Dies war ein indirekter Beweis dafür, dass die kosmische Strahlung für die Schäden verantwortlich ist. Mit steigender Integrationsdichte und größerem Speicher dürfte die Anzahl solcher Soft Errors zunehmen, befürchtete man lange Zeit. Neuere Untersuchungen zeigen allerdings das Gegenteil: Durch die immer kleineren Strukturen in elektronischen Bauelementen nehmen die Fehler ab. Vermutlich liegt das daran, dass der Querschnitt immer winziger wird und mit ihm auch die Wahrscheinlichkeit, dass die kosmische Strahlung einen Schaden anrichtet. Die verbleibenden Soft Errors werden in Großrechnern und Servern meist durch Prüfsummenverfahren korrigiert.

Für Satelliten in der Erdumlaufbahn ist die Gefahr von Computerausfällen dagegen viel größer, denn das Strahlungsniveau ist im Weltraum erheblich höher. In früheren Missionen führten einzelne gestörte Bits schon zu massiven Systemausfällen – etwa bei den beiden Voyager-Raumsonden, die 1977 ins All starteten. Aus diesem Grund werden in Satelliten speziell geschützte Computersysteme eingesetzt, deren Schaltkreise sich zum Beispiel auf isolierenden Substraten befinden. Besonders starke Teilchenemissionen durch solare Flares können aber immer noch zu Ausfällen führen. 1994 führte ein Sonnensturm zum Beispiel in zwei Kommunikationssatelliten zu erheblichen Betriebsstörungen und unterbrach für eine gewisse Zeit den Fernseh- sowie Rundfunkempfang in ganz Kanada. Aber auch Handynetze oder GPS-Systeme sind gefährdet.

Magnetfeld und Sonnenwind

Satellitenbild der Sonne, in Falschfarben dargestellt. Auf der ganzen formatfüllenden Sonne sind Verwirbelungen zu sehen, eine besonders große und helle links der Mitte. Sie hat etwa ein Zehntel Sonnendurchmesser, aus ihr ragen auch leichte Strahlen hervor. Von einem Strahlenkranz ist auch der Sonnenrand umsäumt.
Sonnenaktivität

Kosmische Strahlung und Sonnenwind beeinflussen das Leben auf der Erde aber auch über Umwege: Einerseits führt ein höheres Strahlungsniveau zu einer stärkeren Ionisation der Atmosphäre, andererseits verändern solare Flares und koronale Masseausbrüche das terrestrische Magnetfeld. Diese beiden Effekte können sich ebenfalls auf die modere Technik auswirken. So führt eine erhöhte Ionisation dazu, dass elektromagnetische Wellen mit höheren Frequenzen an der Atmosphäre reflektiert werden – ein Prinzip, das auch beim inerkontinentalen Kurzwellenfunk verwendet wird. Zwar lassen sich auf diese Weise auch weiter entfernte Hochfrequenzquellen empfangen, gleichzeitig nimmt aber die Qualität des Signals durch die Reflexion ab. Dies kann den Radio- und Fernsehempfang in extremen Fällen durch Überreichweiten empfindlich stören.

Weit kritischere Folgen hat allerdings das veränderliche Magnetfeld der Erde. Warum das so ist, wird klar, wenn man ein wenig Schulphysik bemüht: In einer Leiterschleife wird eine Spannung induziert, sobald sich ein umgebendes Magnetfeld ändert. Jeder Fahrraddynamo nutzt dieses Prinzip. Da sich das Erdmagnetfeld auf globalen Skalen ändert, kann dies insbesondere in sehr großen Leiterschleifen – Hochspannungsleitungen und früher Telegrafenleitungen – zu erheblichen Schäden führen. Sehr starke solare Ereignisse haben also das Potential, die Stromversorgung durch zerstörte Transformatoren massiv zu beeinträchtigen. Tatsächlich verursachte 1989 ein solarer Flare länger anhaltende Stromausfälle in der kanadischen Provinz Quebec. Ein wesentlich stärkeres Ereignis fand 1859 statt. Hier kam es in Schweden allein durch die in Telegraphenleitungen induzierten Ströme zu Waldbränden. Für die heutige Infrastruktur wären die Konsequenzen vermutlich verheerender – allein durch die viel stärkere Abhängigkeit vom elektrischen Strom. Bisher kam es allerdings nur zu kleineren Ausfällen, etwa 2003 in der südschwedischen Stadt Malmö, wo vermutlich aufgrund eines Sonnensturms für rund eine Stunde der Strom ausfiel.

Etwa alle elf Jahre erreicht die Sonnenaktivität ihr Maximum. In den vergangenen Jahren durchlief die Sonne allerdings ein ausgedehntes Minimum und die vergleichsweise mäßigen Partikelströme zur Erde bereiteten der modernen Zivilisation kaum Probleme. Das nächste Aktivitätsmaximum erwarten Wissenschaftler für das Jahr 2013; doch bereits vorher kann sich schwerer Sonnensturm ereignen, wie beispielsweise eine gewaltige Eruption am 7. Juni 2011 zeigte. Bisher lässt sich das Auftreten solcher Ereignisse zwar nicht vorhersagen, doch inzwischen werden sie immerhin schnell von Forschungssonden im All aufgespürt und es bleiben ein bis zwei Tage, um auf das aktuelle Weltraumwetter zu reagieren.