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Springbrunnen in der Umlaufbahn

erstellt von holgerkroker zuletzt verändert: 11.09.2007 19:35

Halloween 2003: Während unten auf der Erdoberfläche in vielen Ländern die Kinder gespenstisch verkleidet die Haustüren nach Süßigkeiten abklappern, steuert in 350 Kilometer Höhe ein dramatisches Ereignis auf seinen Höhepunkt zu. Einer der gewaltigsten Sonnenstürme, die bislang verzeichnet wurden, erreicht die Erdatmosphäre und löst dort erhebliche Turbulenzen aus. Polarlichter sind bis in niedrige Breiten zu sehen, in der Umlaufbahn müssen Satelliten abgeschaltet werden, damit ihre empfindliche Elektronik nicht kaputtgeht. In der Internationalen Raumstation geht die Besatzung in einen besonders armierten Schutzraum und über dem Atlantik müssen sich alle Flugzeuge durch einen schmalen Luftkorridor zwängen, um zu hohe Strahlenbelastungen zu vermeiden. Der Sonnensturm von 2003 bringt auch die Entdeckung eines ganz neuen Phänomens: der Superfontäne in der Ionosphäre.

Bereits eine Woche zuvor hatte der Sonnenbeobachtungssatellit SoHo vor extrem starken Gasausbrüchen auf der Sonne gewarnt. Solche Gasausbrüche senden einen starken Strom geladener Teilchen - eben den Sonnensturm - ins All. Da sich die vom Oktober 2003 auf der erdzugewandten Seite des Sterns abgespielt hatten, lag unser Planet genau in Schussrichtung und bekam den Sturm mit voller Wucht zu spüren. Der Strom geladener Teilchen schwächte auf der Tagseite der Erde, wo er auftraf, das Magnetfeld, das unseren Planeten und seine Atmosphäre vor der schädlichen Strahlung aus dem All schützt. Die Strahlung drang also tiefer in die Atmosphäre ein, in ihren höheren Bereichen verstärkte sich die Belastung. Auf der Erdoberfläche wurden geomagnetische Turbulenzen ausgelöst, die diesmal allerdings keine gravierenden Folgen hatten.

Einen besonders großen Ausbruch konnte SoHo am 24. Juli 1999 festhalten. Foto: Nasa/SoHo

Diese beiden Konsequenzen eines Sonnensturms sind bekannt - und Satellitenbetreiber und andere Betroffene bereiten sich so gut es geht darauf vor. Doch es gibt offenbar noch einen weiteren Effekt, den man bisher nicht kannte, und der ebenfalls zu Störungen und unter Umständen sogar zu gefährlichen Situationen führen kann. "Das elektrische Feld des Sonnensturms dringt in die Ionosphäre auf der Tagseite ein und reißt sie um 200 oder 300 Kilometer in die Höhe", berichtete Bruce Tsurutani von Jet Propulsion Laboratory der US-Raumfahrtbehörde Nasa auf der Jahreskonferenz der Europäischen Geowissenschaftlichen Union in Wien.

Seine Arbeitsgruppe hat das Phänomen entdeckt und anschaulich Superfontäne genannt. Denn wie das Wasser bei einem Springbrunnen wird die Ionosphäre in einem begrenzten Gebiet empor gerissen. Dieses Gebiet befindet sich in Äquatornähe zwischen den beiden 30. Breitengraden. Dort befindet sich die oberste Ionosphärenschicht dann auf einmal in 600 Kilometern Höhe oder mehr, statt wie normalerweise etwa 350 oder 400 Kilometer über der Erdoberfläche zu liegen. In diesen Höhen fliegt die Mehrzahl der menschlichen Satelliten, etwa diejenigen zur wissenschaftlichen Erdbeobachtung, viele militärische Beobachtungsflugkörper, aber auch kommerzielle wie die Flotte des Satellitentelefon-Betreibers Iridium.

"Wenn ein Satellit durch diese Turbulenz hindurchfliegt, wird er abgebremst und verliert so an Flughöhe", erklärt Tsurutani. Denn die geladenen Partikel der Ionosphäre ziehen mit sich neutrale Sauerstoffmoleküle aus den darunter liegenden Atmosphärenstockwerken nach oben und sorgen im so genannten niederen Erdorbit für eine vergleichsweise dicke Suppe. "In Höhen von rund 600 Kilometern würde sich die normale Bremswirkung der Atmosphäre verfünf- oder sogar verzehnfachen", so Tsurutani. Tatsächlich haben Satellitenbetreiber immer wieder bemerkt, dass sie die Position ihrer Flugkörper während der Sonnenstürme auffallend schlecht vorhersagen konnten - über den Grund konnten sie nur spekulieren. Jeder Nutzer von Satellitenfernsehen weiß aber, dass es ziemlich problematisch werden kann, wenn man den Satelliten nicht exakt anpeilt. "Man braucht oft mehrere Wochen, um seine Position wieder zu finden", so Tsurutani, "und während dieser Zeit kann man natürlich nicht mit ihm kommunizieren."

Auch die Funktionsfähigkeit der Satellitennavigationssysteme ist von Superfontänen auch betroffen. Foto: Esa

Doch nicht nur die Flugkörper, in deren direkter Flugbahn die Superfontäne sprudelt, bekommen sie zu spüren. Auch das Satelliten-Navigationssystem GPS gehört zu den Opfern, obwohl seine Flugkörper in wesentlich höheren Bahnen fliegen. Bei ihnen stört oder verzögert die aufgeblähte Ionosphäre die Datenübermittlung, das Kernstück des Positionierungssystems. Die GPS-Satelliten senden regelmäßig in kurzen Zeitabständen Signale aus, im Wesentlichen ihre Position und den Zeitpunkt der Sendung. Aus diesen Informationen von mindestens drei, in der Regel vier Satelliten, und der Laufzeit, die sie brauchten, errechnen die GPS-Empfänger ihre eigene Position. Das funktioniert nicht nur an der Erdoberfläche, sondern auch in der Luft. Ein Aufblähen der Ionosphäre kann allerdings die Signalübermittlung von den GPS-Satelliten stören oder die Laufzeit verlängern. "Sie können das Signal verlieren, so dass der Navigationsdienst nicht mehr funktioniert, und das haben wir während vergangener magnetischer Stürme erlebt", so Tsurutani.

Wesentlich dramatischere Auswirkungen als ein simpler Ausfall der Satellitennavigation könnte allerdings die Fehlinterpretation der Signale haben. "Es gibt Fälle von Flugzeugen, bei denen sich die GPS-Position um 80 Meter in der Höhe von der tatsächlichen Position unterschieden hat", so Tsurutani. Sollten sich tatsächlich GPS-gestützte Starts und Landungen etablieren, wären solche Abweichungen fatal, wenn sie unbemerkt blieben. Zurzeit jedenfalls können die Navigationssysteme die Verzerrung durch Superfontänen nicht korrigieren, da noch nicht die entsprechenden Computermodelle existieren, mit denen man die Veränderung der Ionosphäre berechnen kann. "Das kann noch ein paar Jahre dauern", meint Bruce Tsurutani, "aber das wichtige ist, dass wir jetzt einen Anhaltspunkt haben, welche Art Mechanismus es ist, und dass wir die zugrunde liegende Physik begreifen." Zurzeit ist seine Arbeitsgruppe am JPL in Pasadena daran, Computermodelle zur Vorhersage der Superfontänen zu entwickeln. Und wahrscheinlich wird es dann künftig im Weltraumwetterbericht des US-Wetterdienstes auch eine Sektion über die Superfontänen geben.