9. April 2015
Sonnenstürme: Strahlend schönes Weltraumwetter
Wien – Die Sonne schickt Licht und Wärme zur Erde – aber nicht nur. Von der elektromagnetischen Strahlung, die von dem Stern ausgeht, liegt nur ein kleiner Teil im für Menschen sichtbaren Bereich. Ein anderer Ausschnitt des Spektrums sorgt als thermische Strahlung im Infrarotbereich für angenehme Temperaturen. Strahlung mit sehr kleiner Wellenlänge wirkt dagegen genauso wie ein Teil der Masseteilchen, die die Sonne ins All bläst: ionisierend. – Ihre Energie reicht aus, um einzelne Teilchen aus Atomen und Molekülen „herauszuschießen“, wenn sie mit ihnen kollidieren.
Magnetfeld und Atmosphäre der Erde schützen die Lebewesen der Erde vor gefährlichen Dosen ionisierender Strahlung. Veränderungen in den Bedingungen rund um die Erde, etwa wenn Sonnenstürme mit dem Magnetfeld interagieren, werden zum sogenannten Weltraumwetter gezählt. Beim Verlassen der Erdmagnetosphäre – zum Beispiel bei einer Reise zum Mars – ist die hohe Strahlung, die man abschirmen muss, das Hauptproblem.
Doch auch auf der Erde ist die Strahlenbelastung nicht überall gleich. „Die Dosis hängt von der Sonnenaktivität und vom Standort ab. Breitengrad und Höhe sind entscheidend“, erklärt Peter Beck, Leiter des Bereichs Radiation Hardness Assurance and Space Weather der Seibersdorf Laboratories, einem Tochterunternehmen des Austrian Institute of Technology (AIT).
Messung der Strahlenbelastung bei Flügen
Beck und sein Team beschäftigen sich unter anderem mit Flugdosimetrie, also der Messung der Strahlenbelastung bei Flügen. In Zusammenarbeit mit der Europäischen Weltraumagentur Esa und mit Unterstützung des Verkehrsministeriums hat die Gruppe das Webservice Avidos entwickelt, das für Flüge eine voraussichtliche Strahlenbelastung errechnet. Avidos wird heuer aufgerüstet, um bei Sonnenstürmen aktuelle Belastungen in Echtzeit anzeigen zu können.
In Polnähe können hochenergetische Teilchen und Strahlung entlang der Magnetfeldlinien besser in Richtung Erdoberfläche vordringen als am Äquator, erklärt Beck. Bei einem Flug von Europa in die USA, der über die Arktis führt, ist die Belastung höher als bei einem ähnlichen Flug in die Tropen. 68 Mikrosievert errechnet Avidos für einen Flug von Wien nach San Francisco Anfang April. Das entspricht jener Belastung, die man am Boden in etwa zehn Tagen abbekommt.
Besonders relevant ist die Strahlenexposition für Flugpersonal, für das ähnlich wie etwa bei medizinischem Fachpersonal eine jährliche Maximaldosis von 20 Millisievert gilt. „Erfahrungsgemäß erreicht das Flugpersonal aber kaum sechs Millisievert pro Jahr“, erläutert Beck.
Neutronenmonitordaten ergänzen Simulationsmodell
Basis für Avidos sind sogenannte Neutronenmonitordaten, die von entsprechenden Messstationen vor allem im polaren Bereich erhoben werden. Sie ergänzen ein Simulationsmodell, das die Physik der Wechselwirkung zwischen Strahlung, Atmosphäre und Magnetosphäre abbildet. Aus Route, Höhe und Geschwindigkeit lässt sich so eine wahrscheinliche Strahlenbelastung ableiten.
Bei einem energetischen Ausbruch der Sonne sind die Daten besonders wichtig. Trifft ein Sonnensturm die Erde, kann dies nicht nur die Strahlenbelastung erhöhen, sondern auch Ausfälle von Energiesystemen und Elektronik zur Folge haben. „Bei einem Flug während eines Sonnensturms kann man durchaus ein bis zwei Millisievert abbekommen, was sonst einer Jahresdosis entspricht“, erklärt Beck. „Seit den ersten Aufzeichnungen in den 1940er-Jahren gab es 71 Ereignisse, die auf der Erde Auswirkungen zeigten. Wirklich starke Sonnenstürme, die Infrastrukturausfälle auf der Erde zur Folge haben, kommen aber nur alle 30 bis 40 Jahre vor.“
Halloweensturm
Zuletzt sorgte etwa der sogenannte Halloweensturm im Jahr 2003 für Stromausfälle in Südschweden. Der bisher stärkste, von Menschen beobachtete Sturm ist als Carrington-Ereignis bekannt geworden. 1859 legte dabei ein koronaler Masseauswurf der Sonne die Telegrafennetze in der nördlichen Hemisphäre lahm.
„Stürmisches“ Weltraumwetter wird heute so früh wie möglich in der Flugplanung miteinbezogen. Piloten werden bei erhöhter Strahlenbelastung beispielsweise angewiesen, ihre Flughöhe nicht mehr zu erhöhen. Avidos wird künftig bei Sonnenstürmen die Zahl der Neuberechnungen erhöhen, um im Minutentakt aktuelle Daten zu liefern, erklärt Beck.
Bei den Raumfahrtagenturen Nasa und Esa gibt es Bemühungen, mit Satelliten die Geschwindigkeit von Masseauswürfen frühzeitig abschätzen zu können. Beck: „Das würde dazu beitragen, die Auswirkungen auf der Erde besser vorhersagen zu können.“
Komplexe Phänomene
Wie wenig durchschaubar die Interaktion zwischen Sonnenaktivität und Erdsystem trotz allem noch ist, zeigen Messungen während des Halloweensturms, an denen Beck beteiligt war. Sensoren an Bord eines Fluges von München nach Chicago zeigten, dass die Strahlenbelastung trotz Sonnensturms nicht immer erhöht war, sondern zeitweise sogar unter den Normalwerten lag, erläutert der Strahlenforscher. „Dabei handelt es sich um komplexe Phänomene wie Verwirbelungen, die mit den derzeitigen Modellen noch längst nicht vorhersagbar sind.“ (Alois Pumhösel, DER STANDARD, 8.4.2015)