Satellitenausfall: Wie der Sonnenwind die Kommunikation stört

Starke Ausbrüche unserer Sonne können der modernen Zivilisation schwere Probleme bereiten. Bereits in ruhigen Phasen sendet unser Zentralgestirn einen steten Plasmastrom, den Sonnenwind, ins All. Wenn die Sonne aber in eine aktive Phase tritt und mehr noch bei starken Massenauswürfen, transportiert der Sonnenwind starke Magnetfelder und Teilchenströme in die äußeren Atmosphärenschichten unseres Planeten. Dies kann nicht nur zum Ausfall von Satelliten führen, was Navigationsgeräte und Mobiltelefone stört. Es kann sogar gefährlich starke Spannungen in Überlandleitungen induzieren, was den Stromausfall ganzer Regionen bewirken kann. Atmosphärenforscher haben nun die Entwicklung solcher Magnetstürme detailliert untersucht. Dabei sind sie auf ein komplexes Zusammenspiel von Faktoren gestoßen, schreiben sie im Fachblatt „Science“. Zonen hoher Plasmadichte kreisen dann um die Polkappen und verändern ihre Größe, während Magnetfeldlinien sich kurzschließen und dabei hohe Energiemengen freisetzen. Die Ergebnisse sind vor allem für Satelliten- und Netzbetreiber interessant.

Drei Grafiken nebeneinander zeigen farbig die Plasmaveränderungen in drei Abschnitten zwischen 20:40 und 21:45 Uhr des Beobachtungstages.
Entwicklung der Plasmadichte über der Nordpolkappe

„Die Plasmaströme führen vor allem über den Polkappen zu Störungen bei der Funkkommunikation, bei Radardaten und bei der Satellitennavigation“, berichtet Qing-He Zhang vom Polarforschungsinstitut in Shanghai. Über den Polkappen laufen die Magnetlinien der Erde zusammen, wodurch der einfallende Teilchenstrom des Sonnenwindes dort gebündelt wird, was auch zu den bekannten Polarlichtern führt. Die Forscher analysierten in Fünf-Minuten-Schritten Daten aus verschiedenen Quellen, als im September 2011 ein starker Ausbruch der Sonne die Erde traf. Am 24. September fand ein starker solarer Massenauswurf statt, der zwei Tage später die Erde erreichte. Dies erhöhte zunächst den Druck des Sonnenwindes auf die äußeren Atmosphärenschichten. In der Folge bildeten sich ovale Gebiete mit unterschiedlich starken Magnetfeldern, die um die Pole wanderten.

Wie auf den Aufnahmen zu sehen war, lag der Grund für diese Rotationsbewegung im Zusammenspiel mit den unterschiedlichen Plasmadichten auf der Tag- und Nachtseite unseres Planeten. Da die UV-Strahlung der Sonne auf der Tagseite fortlaufend neues Plasma in der Ionosphäre erzeugt, herrscht hier eine größere Plasmakonzentration als auf der Nachtseite. Zusammen mit dem äußeren Magnetfeld des Sonnenwindes entsteht hierdurch eine komplexe Struktur von Magnetfeldern, die die unterschiedlich dichten Plasmagebiete in Bewegung versetzt und sich ausdehnen und wieder zusammen ziehen lässt.

Die Forscher konnten dies sowohl auf Daten des Global Positioning System als auch mit Hilfe des Super Dual Aurora Radar Networks (SuperDARN) sehen, das auf die Beobachtung der oberen Atmosphärenschichten in hohen Breitengraden spezialisiert ist. Dieses internationale Radarnetzwerk beinhaltet mittlerweile mehrere Dutzend Radarstationen. Es wurde in den letzten zwanzig Jahren immer weiter ausgebaut, um die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Erde zu untersuchen.