Weltraumwetter: Maßnahmen gegen Strahlenbelastung für Luftfahrt und Satelliten

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Unsere hochtechnisierte Gesellschaft hängt mehr und mehr von Systemen ab, die durch das Wetter im Weltraum beeinflusst werden können. Dazu zählen neben Satelliten auch Flugzeuge und Infrastruktur am Boden, und schließlich die menschliche Gesundheit.

Als komplexes Wechselspiel zwischen Vorgängen auf der Sonne, im interplanetaren Raum sowie in der Erdmagnetosphäre, -ionosphäre und -atmosphäre birgt das Weltraumwetter ein Gefahrenpotential für viele Anwendungen. Zum Beispiel kann die Bordelektronik von TV- oder Mobilfunk-Satelliten durch energiereiche Partikelstrahlung zerstört werden, wodurch die Übertragung der Datenströme unterbrochen wird.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) diskutieren im 4. Nationalen Weltraumwetter-Workshop mit Experten aus Industrie, staatlichen Einrichtungen und Behörden über einen nationalen Notfallplan für Extremereignisse im Weltraumwetter.

Weltraumwetter und das Leben auf der Erde

Das Weltraumwetter beeinflusst die ionisierte und neutrale Gashülle der Erde, technologische Systeme im Weltraum und auf der Erde sowie Leben und Gesundheit der Menschen. Koronale Massenauswürfe, sogenannte Sonnenwinde und Sonnenstürme, können dabei die sensiblen Infrastrukturen unserer modernen Gesellschaft erheblich beeinträchtigen: Navigation und Kommunikationssatelliten und die darauf basierenden Dienste, Unterstützungssysteme im Flugverkehr sowie der Betrieb von elektrischen Energienetzen.

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Auch kann es zu einer erhöhten Strahlenbelastung im Flugverkehr kommen. “Eine zuverlässige und exakte Vorhersage des Weltraumwetters ist daher von entscheidender Bedeutung, um geeignete Schutzmaßnahmen ergreifen zu können”, sagt Dr. Jens Berdermann vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation in Neustrelitz.

DSCOVR ersetzt Weltraumwetter-Satellit ACE

Welche maximale Stärke von Weltraumwetterereignissen unsere Sonne hervorbringen kann, ist nicht bekannt. “Daher ist es schwierig abzuschätzen, welche Auswirkungen im Extremfall zu erwarten sind”, sagt Berdermann. “Wir wissen aber aus der Geschichte, dass es schon sehr große Sonnenstürme gegeben hat – wie zum Beispiel beim Carrington-Ereignis im Jahre 1859.” Damals waren die Auswirkungen für das gesellschaftliche Leben natürlich noch nicht in der Intensität zu spüren, wie es heute der Fall sein könnte.

Damals entdeckte man dies anhand der Beobachtung von Sonnenflecken. Heute helfen uns Satelliten, präzise Angaben machen zu können. Im Januar 2015 startete der Satellit Deep Space Climate Observatory (DSCOVR), der gleich mehrere Parameter eines Ereignisses messen kann: Neben der Temperatur und der Protonendichte, misst er darüber hinaus den dynamischen Druck, das interplanetarische Magnetfeld sowie die Geschwindigkeit und kann damit den in die Jahre gekommenen (seit 1997 aktiven) Vorgänger Advanced Composition Explorer (ACE) ersetzen.

Lediglich ein paar Sekunden benötigt das Signal von DSCOVR zur Empfangsstation auf der Erde und erlaubt dadurch mit einer Vorlaufzeit von 30 bis 60 Minuten eine Aussage über die Stärke eines herannahenden Sonnensturms und die Effizienz der Einkopplung des Sturms in die Erdatmosphäre. Denn der Sonnensturm ist mit 800 bis 2.000 Kilometern pro Sekunde wesentlich langsamer ist als das Signal vom Satellit bis zur Erde. Mit diesen Informationen können dann Vorhersagen zur Art und zum Schweregrad von Störungen von technischen Systemen prognostiziert werden.

Maßnahmen bei einem Sonnensturm – noch kein Notfallplan

Im 4. Weltraumwetter-Workshop werden die Wissenschaftler neben aktuellen Forschungsergebnissen sich auch darüber austauschen, welche Abstimmung untereinander im Katastrophenfall notwendig ist. “Derzeit gibt es noch keinen nationalen Notfallplan für Extremereignisse im Weltraumwetter”, erklärt Berdermann. Zu klären wäre unter anderem, wie der Informationsfluss bei Extremereignissen erfolgen sollte. Welches Weltraumwetter-Servicezentrum sollte wen informieren? Eine weitere offene Frage ist, wo diese Informationen gesammelt und ausgewertet werden. Da das Weltraumwetter nicht nur ein lokales Ereignis ist, muss in einem Notfallplan auch eine Abstimmung mit internationalen Partnern erfolgen.

Ziel des Workshops ist es, ein Positionspapier zu erarbeiten, das politische Entscheidungsträger nicht nur über die Thematik informiert, sondern auch die vorhandenen Kompetenzen in Deutschland deutlich herausstellt. Darüber hinaus geht es aber auch darum, den Entwicklungsbedarf und die Notwendigkeit der Erstellung eines nationalen Notfallplans aufzuzeigen. Der Wissenschaft kommt hierbei eine entscheidende Rolle zu, denn die weitere Erforschung und Beobachtung der Sonne ist für die rechtzeitige und genaue Vorhersage des Weltraumwetters wichtig.

Schutzmaßnahmen für Satelliten und Flugzeuge im Luftverkehr

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, sich auf solare Ereignisse vorzubereiten: “Bei sehr starken Ereignissen können Satellitenbetreiber rechtzeitig die empfindlichen Mess- und Kommunikationsbereiche der Satelliten aus dem Sonnenwind drehen oder Satelliten komplett abschalten, um ein internes oder externes elektrisches Aufladen aufgrund von geladenen Teilchen im Sonnenwind zu vermeiden”, erklärt Berdermann. Darüber hinaus können Nutzer von Positionierungs- und Navigationsgeräten über erwartete Ungenauigkeiten informiert werden.

Aber auch innerhalb des Luftverkehrs sind Schutzmaßnahmen angebracht. Hierbei verzichtet man auf die Kommunikation im Hochfrequenzbereich und nutzt dafür den Kurzwellenfunk. Um einer erhöhten Strahlenbelastung zu entgehen, werden polare Flugrouten vermieden. Zudem ermöglicht eine tiefe Flughöhe einen besseren Schutz durch das Magnetfeld der Erde.

Auch im Bereich der Stromnetze können Schutzmaßnahmen getroffen werden, indem die Betreiber sich auf mögliche geomagnetisch induzierte Ströme und dadurch verbundene technische Probleme einstellen und somit schnell reagieren können.

Abb. 1 und 2: Sonne mit koronalem Massenauswurf und deren Folgen auf die Erde, Illustration, sowie Aufnahme der Sonne mit mehreren interagierenden aktiven Regionen. Beide: NASA/SDO and the AIA, EVE, and HMI science teams.

Abb. 3: Die Antenne empfängt Weltraumwetter-Daten des Satelliten DSCOVR, der im Januar 2015 gestartet wurde und gleich mehrere Parameter eines solaren Ereignisses messen kann (DLR).