Sturmwarnung im Weltraum

11. Oktober 2003, 20:00
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Grazer Astrophysiker arbeiten an Vorhersagemodellen für Sonnenstürme

Jede Sekunde schleudert unsere Sonne etwa eine Million Tonnen elektrisch geladener Teilchen ins All. Als Sonnenwind rasen sie auf die Erde zu, wo sie nicht nur prachtvolle Polarlichter in den nördlichen Himmel zaubern, sondern auch alle Arten globaler Kommunikation empfindlich stören. Etwa alle elf Jahre werden die Eruptionen der Sonne heftiger und der Sonnenwind steigert sich zu Sonnenstürmen, die Satelliten aus der Bahn werfen, Funk-und Stromnetze lahm legen oder bemannte Raummissionen gefährden können.

Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Mitteln kann man zwar bereits erfolgte Masseneruptionen erkennen, vorhersagen lassen sie sich jedoch bisher nicht. Forscher des Instituts für Geophysik, Astrophysik und Meteorologie der Grazer Universität arbeiten daher mit Unterstützung des Wissenschaftsfonds an einem automatischen System zur Weltraumwetterprognose.

Ihre Ursache haben die Stürme auf der Sonne in Umkonfigurationen der Magnetfelder. Diese Umstellungen führen zu Strahlungsausbrüchen, so genannten Flares, die einen ungesunden Cocktail aus Strahlung und hochenergetischen Teilchen Richtung Erde schleudern - mit gefährlichen Folgen, wie der Projektleiter Arnold Hanslmeier, seit vorigem Jahr Präsident der Joint Organisation of Solar Observatories, der weltweiten Vereinigung der Sonnenforscher, erläutert: "Kurz nach einem solaren Ausbruch 1972 wurde eine Teilchenstrahlung gemessen, die für Astronauten auf dem Weg zum Mond den sicheren Tod bedeutet hätte. Erdnahe Missionen wie die Internationale Raumstation ISS sind durch das Magnetfeld der Erde noch einigermaßen abgeschirmt, aber der Schutz vor der erhöhten Strahlungsbelastung für bemannte Marsmissionen ist noch immer ein weitgehend ungelöstes Problem."

Aber auch auf der Erde selbst können die Auswirkungen zuweilen gravierend sein: So führte ein Sonnensturm 1989 zum Kollaps der gesamten Elektrizitätsversorgung in der kanadischen Provinz Quebec, und auch Kurzschlüsse, Bahnänderungen und sogar Abstürze von Satelliten gehen oft auf das Konto schlechten Weltraumwetters. Kein Wunder also, dass Forscher weltweit an Prognosemodellen für eine zeitgerechte Sonnensturmwarnung arbeiten.

Der komplexe Entstehungsmechanismus von Flares macht es den Wissenschaftern allerdings nicht gerade leicht, zuverlässige Weltraumwetterprognosen zu stellen. "Die Umkonfigurationen in den Magnetfeldern der Sonne gehen sehr rasch vor sich, Flares können innerhalb von Sekunden oder Minuten entstehen", meint Hanslmeier dazu. "Bisher hat es vor allem an genauen, zeitlich aufgelösten Beobachtungen gefehlt. Das ist mit ein Grund, warum wir im Bereich Space Weather derzeit auf dem Stand der Meteorologie von vor ungefähr 50 Jahren sind."

Dem Ziel der Grazer Forscher, aus charakteristischen Veränderungen der Magnetfelder abzuleiten, ob sich ein Sonnensturm zusammenbraut, ist man in den vergangenen Jahren aber bereits einen großen Schritt näher gekommen. Denn mittlerweile haben Beobachtungsstationen rund um den Erdball die Sonne im Visier, um die Vorgänge auf dem Zentralgestirn rund um die Uhr in allen Wellenlängen zu beobachten. Auch das Sonnenobservatorium der Universität Graz auf der Kanzelhöhe - übrigens das einzige seiner Art in Mitteleuropa - ist Teil dieses globalen Netzwerks, in dem die Sonne nie untergeht.

Zusammen mit den Observatorien Big Bear in Kalifornien und Yunnan in China haben sich die Grazer im so genannten H Alpha Global High-Resolution Network zusammengeschlossen. "H Alpha" ist eine charakteristische Wasserstofflinie im roten Bereich des elektromagnetischen Spektrums, die einen Blick in den Geburtsort der Flares erlaubt: die Chromosphäre, etwa 1000 bis 1500 Kilometer über der Sonnenoberfläche.

Daneben wird die Sonne auf der Kanzelhöhe aber auch in anderen Wellenlängen beobachtet: "Jede Wellenlänge entspricht, vereinfacht ausgedrückt, einer bestimmten Höhe", erklärt Hanslmeier. "Damit lässt sich quasi ein Schnittbild der Sonnenatmosphäre aufnehmen und die dreidimensionale Entwicklung der Magnetfelder mit hoher Auflösung verfolgen." Ergänzt werden die Daten der erdgebundenen Observatorien durch satellitengestützte Missionen wie Soho, ein Gemeinschaftsprojekt der europäischen und amerikansichen Weltraumbehörden Esa und Nasa, sowie Trace (nur von der Nasa).

Rund um die Uhr messen zahlreiche Instrumente an diesen drei Standorten Temperaturen, Magnetfelder und Geschwindigkeiten in verschiedenen Schichten der Sonne und zeichnen damit ein aktuelles Gesamtbild der Sonne im Halbminutentakt. Um mit dieser Datenflut fertig zu werden, arbeiten die Grazer Forscher an einem automatischen Flare-Erkennungssystem, das in Echtzeit den Beginn eines Ausbruchs erkennt und seine Entwicklung verfolgt. Das Verfahren wurde ausgiebig getestet und hat sich auch im automatischen Betrieb bewährt.

In Zukunft soll der intelligente Sonnendetektiv mithHilfe neuronaler Netzwerke lernen, welche Parameter, wie etwa Intensitäts-, Temperatur- oder Magnetfeldänderungen bei der Flare-Entstehung eine zentrale Rolle spielen und seine Überwachungsstrategie selbst optimieren.

Doch die Flare-Erkennung allein ist den Wissenschaftern zu wenig. Immerhin erreichen die ersten Strahlungsschübe nach einer Eruption die Erde bereits nach nur wenigen Minuten - zu schnell also für eine wirkungsvolle Warnung. In weiterer Folge soll daher auf Basis der gesammelten Erkenntnisse über Ursachen und Entstehungsmechanismen der Ausbrüche auch ein Prognosemodell entstehen.

Mit den Daten von Teleskopen rund um den Erdball gefüttert, soll es die Wahrscheinlichkeit eines Ausbruchs und auch die Stärke der zu erwartenden Flares berechnen und bei Gefahr im Verzug weltweit Alarm auslösen. "Unser Ziel ist die Vorhersage im Bereich von einigen Tagen", hofft Hanslmeier, dass es den Forschern in naher Zukunft gelingen wird, die "Explosionsbereitschaft" unseres Zentralgestirns schon im Ansatz zu erkennen und damit Elektrizitätswerken und Satellitenbetreibern zu einem entscheidenden Zeitvorsprung im Wettlauf gegen die Stürme der Sonne zu verhelfen. (Angelika Prohammer/DER STANDARD, Print-Ausgabe, 11./12. 10. 2003)

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