Schatz, wie wird das Weltraumwetter?

Auswirkungen einer verstärkten Sonnenaktivität auf die Erdatmosphäre und ihr Einfluss auf unsere techn. Zivilisation Quelle: ESA/Science Office, CC BY-SA 3.0 IGO

Eine gute und interessante Frage, aber ich glaube nicht das meine Partnerin diese auch beantworten möchte. Aber allgemein wird diese Frage bei vielen wohl eher ein müdes Lächeln erzeugen, Wetter im Weltraum? Dort wo es noch nicht einmal eine Atmosphäre gibt, na gut mit Wolken, Winden, Stürmen wie in der Erdatmosphäre hat das wenig zu tun. Aber es gibt auch Wolken, Winde und Stürme in unserer unmittelbaren Umgebung und es gibt noch einen weiteren Faktor, die radioaktive Strahlung. Zusammenfassend wird dieses als Weltraumwetter bezeichnet, das gesteuert wird von der Aktivität unserer Sonne. 

Das Leben in der Nähe eines Sternes ist ein eigentlich recht riskantes Unterfangen. Was emittiert unsere Sonne so alles das uns auf der Erde gefährlich werden könnte, radioaktive Strahlung (hochenergetische Teilchen), ultraviolette und Infrarote Strahlung, Coronale Massenauswürfe, Flares usw. Unsere Sonne befindet sich bekanntlich lediglich 150 Mio. Kilometer oder einer astronomischen Einheit von unserer Heimatwelt, der Erde, eigentlich nur einen Steinwurf von uns entfernt. Nimmt man die Heliosphäre als Bezugspunkt, so hat diese mindestens einen Radius von mindestens 94 Astronomischen Einheiten, Voyager 1 passierte im Dezember 2004 die als Termination Shock bezeichnete erste Grenze des Sonnensystems. Schon gigantisch groß immerhin sind das 14.062.400.000 Kilometer und innerhalb dieses Bereiches kann man den als Sonnenwind bezeichneten Strom geladener Teilchen den die Sonne emittiert auch messen. Das erstaunliche ist, wir auf der Erde sitzen so gesehen fast unmittelbar an der Quelle. Dieser Strom energetischer Partikel wurde 1959 erstmals von der sowjetischen Mondsonde Luna 1 nachgewiesen und daran erkennt man auch das Wissen über die Aktivität unserer Sonne und ihre Wirkung auf die Erde ist relativ jung. 

William Herschel entdeckte im Jahr 1800 die infrarote Strahlung der Sonne, als er Isaac Newtons Experiment zur Lichtbrechung von 1660 erweiterte. Er bezeichnete selber diese Strahlung als wärmeerzeugend, also Calorific oder caloric Rays. Ein Jahr später entdeckte Johann Wilhelm Ritter das die Sonne auch ultraviolette Strahlung abstrahlt. Ein weiteres Jahr später entdeckte William Hyde Wollaston die Spektrallinien. 1817 wurde die Solar Spektroskopie von Fraunhofer entwickelt, damit wurde es erstmals möglich die Häufigkeit der Elemente der Sonne zu vermessen, auch wenn es noch 40 Jahre dauern sollte bis dieses Wissen eine Anwendung fand. 1838 wurde die Solarkonstante erstmals beschrieben. 1843 entdeckte der Dessauer Samuel Heinrich Schwabe eine Periozidität im Auftreten der Sonnenflecken. Am 2. April 1845 machten Hippolyte Fizeau und Leon Foucault die erste photographische Aufnahme der Sonne, das Foto war mittels des als Daguerreotypie bekannten Fotographie-Verfahrens erstellt worden. 

Reproduktion des ersten Fotos der Sonne nach G. De Vaucouleurs,Astronomical Photography, MacMillan, 1961 Quelle: NCAR/UCAR

Das erste Foto der Sonne hat schon was, gut zu erkennen zwei Gruppen von Sonnenflecken in der südlichen Hemisphäre. Auch wenn die Daguerreotypie bereits 1851 durch ein moderneres Verfahren ersetzt, das von Warren de la Rue entwickelt wurde, war diese Aufnahme schon recht interessant, immerhin sind zwei große Gruppen von Sonnenflecken recht deutlich zu sehen. Am bekanntesten wurde Leon Foucault jedoch durch den praktischen Nachweis der Erdrotation.

Im Jahre 1848 wurde erstmals die Methode zur Analyse innerhalb der Sonnenfleckenzyklen festgelegt, durch den Schweizer Astronomen Rudolf Wolf. Er war es auch der den Beginn des ersten Sonnenfleckenzyklus festlegte, den von 1755-1766 dauerte. Seine Arbeit beruhte auf der Sichtung von bekannten Sonnenfleckenbeobachtungen zahlreicher Astronomen. Zur Rekonstruktion des Zyklus vier (1785-98) verwendete er zum Beispiel die Beobachtungen von Johann Hieronymus Schroeter aus den Jahren 1785-95.  

Zeichnung von Sonnenflecken von Johann Hieronymus Schroeter Quelle: UCAR/NCAR

Die Zyklen die unsere Sonne durchläuft hatte es vielen Gelehrten angetan, 1852 entdeckte Edward Sabine den Zusammenhang zwischen den Sonnenzyklen und Zyklen in denen die Intensität des Erdmagnetfeldes gleichzeitig Schwankungen aufzeigte. Er postulierte das diese beiden Zyklen vollkommen identisch sind und nutzte dazu Aufzeichnungen die bis in die 1830er Jahre zurückreichten. Zu solch einem Ergebnis kamen im selben Jahr auch Rudolf Wolf, Jean Alfred Gautier und Johann von Lamont. Ab diesem Zeitpunkt sprach man dann von Solar-Terrestrischen Studien. 1858/59 untersuchten R.C. Carrington und Gustav Spörer unabhängig von einander die Rotationsgeschwindigkeit der Sonnenoberfläche, dabei beschrieben als erste die differenzielle Rotation der Photosphäre der Sonne. Später präzesierten Hermann Vogel und Charles Young deren Messungen mit Hilfe spektroskopischer Verfahren. Aber erst der Schwede Nils Duner kam der eigentlichen Rotationsgeschwindigkeit der Photosphäre der Sonne auf die Spur. Naja die Rotationsgeschwindigkeit am Äquator der Sonne beträgt immerhin rund zwei Kilometer pro Sekunde, was einer Rotationsdauer von 25 Tagen entspricht, an den Polen beträgt sie immerhin 37 Tage. Damit war nun endgültig klar, die Sonne ist kein Festkörper.

Am 1. September 1859 beobachteten Carrington und R. Hodgson die erste Sonneneruption, die auch publiziert wurde. Beide berichteten Übereinstimmend und unabhängig voneinander das ihre Geräte zur Messung des Erdmagnetfeldes zum selben Zeitpunkt ausschlugen, was nach heutigen Kenntnisstand wohl einem anderen Coronalen Massenauswurf zu verdanken war. Aber wie dem auch sei, dieses Carrington-Ereignis muss ein recht interessanter Anblick gewesen sein.  

Künstlerische Darstellung eines Coronalen Massenauswurfs Quelle: NASA/Holly Zell

Ich glaube Carrington und Hodgson hätte so eine Darstellung des Ereignisses gefallen. Aber wie das Leben eines Sonnenfleckes so aussieht wissen wir erst seit kurzen. Die ersten im übrigen das chemische Masseverhältnis der Sonne beschrieben haben waren Robert Wilhelm Bunsen und Gustav Kirchhoff im Jahre 1859, seitdem gilt das 76% Wasserstoff, 22%Helium und 2% schwere Elemente das Leben auf der Erde ermöglichen. Aber es sollte noch rund achtzig Jahre dauern bis das Geheimnis der Energieerzeugung in der Sonne gelüftet wurde. 

Das erste Mal wurde eine endotherme Fusionsreaktion von Ernest Rutherford beobachtet, als er 1919 durch den Beschuss von Stickstoff mit Alphateilchen ein Sauerstoffisotop erzeugte. Ein paar Jahre später vermuteten Robert Atkinson und Fritz Houtermans einen ähnlichen Fusionsprozess als Energiequelle der Sonne und anderer Sterne die Verschmelzung leichter Atomkerne, was sich später als richtig herausstellte. Nach den Untersuchungen von Sir Arthur Eddington (1920) über die Vorgänge im Sonneninneren und von George Gamow (1928) zur Rolle des Tunneleffekts beim Zerfall von Alphateilchen mit Hilfe der Quantenmechanik konnte Hans Bethe dies 1938/39 nachweisen. Rutherfords Assistent Mark Oliphant führte 1934 die erste gezielte Deuterium-Deuterium- und Deuterium-Tritium Fusionsreaktionen mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers durch, welche in Fusionsexperimenten die wichtigste Rolle spielen, da sie bei verhältnismäßig geringer Temperatur sehr große Energiemengen gezielt freisetzen können. Zusammen mit Bethe lieferte Carl Friedrich von Weizsäcker 1939 die quantitative Beschreibung der Fusionsprozesse im Inneren der Sonne. 

Zwei Wochen im Leben eines Sonnenflecks Quelle: NASA Scientific Visualization Studio

Tja, daran sieht man eigentlich auch das das Verständnis über die Vorgänge auf unserem Zentralgestirn lange Zeit ein kleines Geheimnis war. Wie gesagt der Nachweis das unsere Sonne den bekannten Sonnenwind emmitiert gelang erst 1959, und dieser besteht aus geladenen Teilchen, hauptsächlich freie Protonen und Elektronen, ebenso Heliumkerne und zu einem geringen Anteil auch schwere Atomkerne und nicht ionisierte Atome. Unschwer ist zu erkennen beim Sonnenwind handelt es sich prinzipiell um ein Plasma. Dieser Teilchenfluss ist schon gigantisch, in Erdnähe hat er eine Dichte von 5x10 hoch sechs Teilchen auf einen Kubikmeter. Das entspricht demnach 5.000.000 Teilchen pro Kubikmeter und zeigt auch die Sache mit dem absoluten Vakuum ist wohl eine andere Geschichte. Interessant ist auch das die Sonne demnach einen Masseverlust erleidet, damit wir es schön warm und gemütlich haben. Allgemein geht man davon aus das die Sonne pro Sekunde rund eine Million Tonnen an Masse einbüßt. Aber man kann auch anders an die Sache herangehen, mit Hilfe der 1838 erstmals beschriebenen Solarkonstanten kann man auf die Strahlungsleistung und damit auch den Masseverlust der Sonne errechnen. Von der Weltorganisation für Meteorologie  wurde die Solarkonstante für das Jahr 1982 auf den Wert 1367 Watt pro Quadratmeter festgelegt, wenn man dann davon ausgeht das diese Leistung in alle Richtungen um die Sonne gleichmäßig abgestrahlt wird kommt man schnell zur Erkenntnis das die diese Strahlungsleistung der Sonne alle Kugelflächen gleichmäßig durchdringt, wenn man die Planetenbahnen sch als Kugelsphären vorstellt. Das besagt nicht mehr oder weniger das die Strahlungsleistung pro m² mit Abstand r von der Sonne die gesamte Strahlungsleistung der Sonne dividiert durch die Kugeloberfläche einer Kugel zum Quadrat mit dem Radius r ist. Errechnet man dieses ergibt dies L= 3,82x10^26 Watt. Legt man dann die einsteinische Relativitätsformel zugrunde, also E=m x c², ergibt sich ein Masseverlust von 4,26 x 10^9 kg pro Sekunde. Demnach ergibt sich letztendlich das die Sonne in einer Milliarde Jahre lediglich 22 Erdmassen leichter wird, das sind 0,007 % ausgehend von ihrer derzeitigen Masse von 1,98 x 10^30 kg. Ja vor lauter Zehnerpotenzen wird einem schwindlig, aber das war nur die eine Seite der Medallie. Hinzu kommt noch ein Masseverlust durch die Energieerzeugung im Sonnenkern. Interessant ist daran das es bei der Kernfusion zu einem sogenannten Massedefekt kommt. Dabei wandelt die Sonne in einer Sekunde in ihrem Inneren etwa 600.000.000 Tonnen Wasserstoff in 596.000.000 Tonnen Helium um. Die fehlenden 4.000.000 Tonnen Materie sind der sogenannte Massedefekt, d.h. es fand eine Energieumwandlung in verschiedene Formen von Energie statt. Aber unsere Sonne verbrennt ihre Energie im Verhältnis gesehen recht sparsam, okay braune Zwerge können das noch besser, aber im Gegensatz zu Sternen wie den Überriesen Aldebaran, Beteigeuze oder Rigel ist sie schon so eine Art Energiesparmodell. 

Ablauf eines koronalen Masseauswurfs in fünf Schritten Quelle: NASA Scientific Visualization Studio

Tja und das bringt mich wieder zurück zur Eingangsfrage mit dem Weltraumwetter. Naja wenn ich über das vorhergesagte so nochmal nachdenke ist die Sache wohl keine theoretische Frage, sondern eine recht praktische Frage in Bezug auf die menschlichen Aktivitäten im Weltraum und der Atmosphäre und wir leben nun mal in der letzteren. Wie zuvor beschrieben emmittiert die Sonne permanent ein Plasmastrom, den Sonnenwind. Man besten kann man das wohl unseren Ozeanen vergleichen. Seemänner bezeichnen den Oberflächenzustand der Meere auch als ruhig, rauh oder stürmisch. Beim Weltraumwetter kann man den Strom an geladenen Teilchen die die Sonne emittiert ebenso unterteilen, ruhig bei normaler Sonnenaktivität, rauh wohl bei erhöhter und stürmisch bei einem sogenannten koronalen Masseauswurf. Die auf der Erde am meisten beobachtete Auswirkungen dieser koronalen Massenauswürfe sind sogenannte geomagnetische Stürme die aber auch die obere und untere Atmosphäre beeinflussen. Ich glaube jeder kann sich vorstellen das bei der Wechselwirkung des Sonnenwindes mit irdischen Magnetosphäre eine beträchtliche Menge Energie freigesetzt wird. Diese bildet die Grundlage vieler Erscheinungen in Magnetosphäre und der polaren Hochatmosphäre.

Nimmt man die Geschichte der Sonnenfleckengruppe 331 aus dem August 1972 wird klar warum koronale Massenauswürfe für die Menschheit ungemein negative Auswirkungen haben können. Diese Sonnenfleckengruppe wurde am Dienstag dem 11. Juli erstmals gesichtet und verschwand am 14. Juli hinter dem Westrand der von der Erde sichtbaren Sonnenscheibe und erschien am 29. Juli wieder am Ostrand der Sonnenscheibe. Bis zum 31. Juli erreichte diese Sonnenfleckengruppe einen  Durchmesser von ca. 80.000 Kilometern und bedeckte eine Fläche von vier Milliarden km². Schon gewaltig, allein diese Dimension. Man erwartete hochenergetische Eruptionen, doch das was dann geschah brachte die Wissenschaftler dann nur noch zum staunen. Am 2. August wurden mehrere Sonneneruptionen der Stärke 1B und 2B beobachtet. Am 3. August meldeten die Polarforschungsstationen den Beginn einer vollständigen "Polkappenabsorbtion" über Nord- und Südpol. Das heißt Kurzwellensignale konnten die Polbereiche nicht mehr überqueren und die Elektronendichte der Ionosphäre steigt mit dem eintreffen der solaren Protonenströme stark an. Zwischen 7:22 und 13:00 Uhr des 4. Augustes konnte das Forschungszentrum der Deutschen Bundespost in Darmstadt kein Kurzwellensignal mehr empfangen, Ursache war der damals stärkste Mögel-Dellinger Effekt der dort bis dato registriert wurde. Das Sonnenobservatorium OSO-7 registrierte am selben Tage zum ersten mal in der Geschichte der Sonnenphysik zwei scharfe Impulse im Gamma-Linienspektrum. In den USA wurden von Störungen der Telekommunikation und der Stromversorgung berichtet. Am Morgen des 4. Augustes vermeldete die Sonnenbeobachtungstation Athen eine Supereruption der Stärke 3B.

Am 5. August vermeldete die Bowater-Elektrizitätsgesellschaft den Ausfall sämtlicher Transatlantikkabel und mehrerer Transformatoren. Auf dem St. Lorenz-Strom in Kanada konnten die Schiffe nicht mehr sicher navigieren und Anchorage in Alaska war von sämtlichen Kurzwellenverbindungen abgeschnitten. Südlich des  Hafens von Haiphong, in Nordvietnam, beobachteten US-Piloten sogar mehr als zweidutzend Explosionen im Südchinesischen Meer die von Seeminen stammten die die USA während des Vietnamkrieges ausgebracht hatten. Das schwankende Magnetfeld der Erde hatte anscheinend die Magnetzünder der Minen angesprochen. Am 7. August 1972 vermeldete das Sonnenobservatorium auf Gran Canaria eine weitere Eruption der Stärke 3B. Das Spektakel auf der Sonne führte zu einem medialen Hype und die Zeitungen erschienen mit Schlagzeilen (heute Breaking News) wie "Explosion auf der Sonne" oder "Die Sonne beruhigt sich nicht". Am 11. August verschwand die Sonnenfleckengruppe 331 am Westrand der Sonne und wurde nie mehr gesehen. Ein anderer sehr starker koronale Massenauswurf löste am 23. Mai 1967 beinahe den dritten Weltkrieg aus. Am 13. März 1989 traf ein CME die Erde und führte zu einem Totalausfall der elektrischen Energie für 9 Stunden in der kanadischen Provinz Quebec. Im Oktober und November 2003 konnte man Polarlichter über Teilen Deutschlands bestaunen. Diese sogenannten Halloween-Sonnenstürme des Jahres 2003 sollen ähnlich stark gewesen sein wie das Carrington-Ereignis des Jahres 1859. Der japanische Erdbeobachtungssatellit ADEOS II ging während des geomagnetischen Sturms vom 24. Oktober 2003 verloren und PENTAGON verlor für 29 Stunden den Kontakt zu mehreren Spionagesatelliten. Die Flugrouten im hohen Norde Kanadas konnten nicht mehr überwacht werden und der Funkverkehr zu den Flugzeugen war gestört, was eine Airline dazu bewog seine Flugzeuge auf anderen Flugrouten umzudirigieren.      

Ein misslungener koronaler Masseauswurf, Quelle: NASA Scientific Visualization Studio

Interessant an diesen Sonnenstürmen der Jahre 1972 und 2003 ist, das sie sich jeweils in einem Zeitraum des Abflauens der Aktivitätsphase innerhalb der jeweiligen Sonnenfleckenzyklen ereigneten. Im Jahre 1972 befand sich die Sonnenaktivität auf dem absteigenden Ast des elfjährigen Zyklus, etwa in der Mitte zwischen dem letzten Maximum und dem bevorstehenden Minimum. Ganz ähnlich verhielt es sich im Oktober und November 2003, nach dem Maximum des 23. Zyklus 2000/2001 wurde das Minimum für das Jahr 2006 erwartet. Wie jeder sieht liegt dieses wieder in der Mitte, ob es da einen Zusammenhang gibt? Wahrscheinlich ist das schon, denn es gibt ja auch den 22 jährigen Hale-Zyklus. Dieser charakterisiert die Dauer einer kompletten Zyklus der Polumkehr auf der Sonne. Ob der Zyklus der Sonnenfleckenaktivität einen Einfluss auf das Erdklima hat, naja davon bin ich persönlich nicht wirklich überzeugt. Der 24. Zyklus war bekanntlich schwächer ausgeprägt als der 23., aber in diesem Zeitraum nahm die Erwärmung der Erdatmosphäre weiterhin zu und sie kühlte sich nicht ab. Vielleicht liegt das auch an der Trägheit des Erdklimas, aber auf der anderen Seite variiert jeder Sonnenfleckenzyklus vom anderen. Der 19. Zyklus war sehr stark, während der 20. Zyklus Vergleichsweise schwächer ausfiel. Das war jedoch von 1950 bis 1970, ohne das sich der Trend zur Erderwärmung zum erliegen kam. Zwischen 1880 und 1920 gab es jeweils recht schwache Sonnenfleckenzyklen ohne das man von einer Kälteperiode auf der erde sprechen konnte. Wie dem auch sei, die Beobachtung der Aktivität der Sonne ist für uns Erdbewohner schon immens wichtig, immerhin hängt die Funktionalität unserer technologischen Gesellschaft davon ab. 

Solar storm of August 1972

The solar storms of August 1972 were a historically powerful series of solar storms with intense to extreme solar flare, solar particle event, and geomagnetic storm components in early August 1972 ...

https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_storm_of_August_1972

Solar Storm and Space Weather - Frequently Asked Questions

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