Die Sonne bewegt sich in Zyklen von etwa elf Jahren zwischen Phasen niedriger und Phasen hoher Aktivität hin und her. Dieser Zyklus ist zwar bekannt, aber nicht gut konkret zu prognostizieren. In der Regel wissen Forschende erst Jahre nach einem solaren Maximum, dass es ein solares Maximum war.

Weil das natürlich insgesamt unbefriedigend ist, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sich über die Beobachtung des Weltraumwetters und darauf aufbauende Vorhersagen, näher an die Realität heranzupirschen. Das gelingt ihnen inzwischen immer besser. Es fehlt allerdings an Erfahrung.

So wurde die Erde in der Mitte der vergangenen Woche von einem schweren geomagnetischen Sturm heimgesucht, der auf eine Reihe von Sonnenausbrüchen zu Beginn der Woche zurückzuführen war. Solche Ausbrüche sind mit Sonnenflecken verbunden, bei denen es sich wiederum um magnetische Stürme auf der Oberfläche der Sonne handelt.

„In den letzten Jahren war die Aktivität sehr gering, wie es während des solaren Minimums der Fall ist, aber jetzt nimmt sie wieder zu, und zwar ziemlich schnell – bis zum nächsten Maximum des Sonnenzyklus, das wir für 2025 erwarten“, meint Bill Murtagh, Programmkoordinator am Space Weather Prediction Center (SWPC) der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), gegenüber Space und ergänzt: „Wir sehen die Zunahme der Aktivität, die man mit diesem Anstieg im Sonnenzyklus erwarten würde. Das ist sozusagen unsere Aufwachphase.“

Das Problem ist, dass sich die Sonnenaktivität nicht nur auf die Sonne auswirkt. Je nach Stärke der Aktivität kann es zu Ereignisse kommen, die nicht bloß schöne Polarlichter, sondern Satellitenschäden und andere Ausfälle produzieren können. So hatte der geomagnetische Sturm der vergangenen Woche laut Murtaugh hat seinen Ursprung in einer Reihe von „koronalen Massenauswürfen“ (Coronal Mass Ejection, CME).

Diese Massenauswürfe bestehen aus großen Mengen magnetisch aktiven Sonnenplasmas oder wie der Experte es formuliert: „Ein CME ist im Wesentlichen eine milliardenschwere Wolke aus Plasmagas mit Magnetfeldern. Die Sonne hat also einen Magneten in den Weltraum geschossen, und dieser Magnet hat die 150 Millionen Kilometer lange Strecke von der Sonne zur Erde zurückgelegt.“

Ist der Magnet groß genug, gerät er mit dem Magnetfeld der Erde in Konflikt. Die beiden Magnete spielen gegeneinander und erzeugen einen geomagnetischen Sturm. Dabei könne es passieren, so der Weltraumwetterexperte, dass ein CME auf seinem Weg durch den Weltraum wächst.

Das sei in der vergangenen Woche geschehen. Konkret sei ein auf dem Weg zur Erde befindlicher CME von einem größeren und schnelleren CME eingeholt worden, woraufhin sich die beiden Magneten miteinander vereinigt hätten. Dafür verwenden die Forschenden den Begriff der „Kannibalisierung des Vorgängers“.

Diese Vorgänge erschweren den Experten die Vorhersage. Denn sie könnten zwar modellieren, wie sich ein CME von der Sonne aus durch den Weltraum bewegt. Die Stärke seines Magnetfeldes aber können sie erst bestimmen, wenn der CME die NOAA-Sonde „Deep Space Climate Observatory“ (DSCOVR) erreicht. Dann aber ist er schon fast da, denn die Sonde ist nur 1,5 Millionen Kilometer in Richtung Sonne von der Erde entfernt. Und es sind gerade diese kleinen bis mittleren CME, die den Forschenden Probleme bereiten.

„Die wirklich großen Ereignisse sind die einfachen“, meint Murtagh. „Ereignisse, wie wir sie in den letzten Tagen hatten, sind gute Beispiele für nicht einfache Ereignisse, weil es sich nicht um extreme, große und starke CME handelt. Sie sind zwar schon ziemlich stark, aber wir kennen die magnetische Struktur in diesem CME nicht, bis er auf die DSCOVR-Raumsonde trifft.“

Dann kann es allerdings bereits zu spät sein, weil der CME die Erde zu diesem Zeitpunkt innerhalb von 20 oder 30 Minuten treffen wird. Der eventuelle geomagnetische Sturm steht also unmittelbar bevor. Und geomagnetische Stürme können mehr als nur ein faszinierendes Phänomen sein.

Zu den durch derartige Stürme bedrohten Infrastrukturen gehören vor allem die Stromnetze. Aber auch Navigations- und andere Satelliten können Schaden nehmen. Die Funkkommunikation von Flugzeugen kann gestört sein. Deshalb ist die Wettervorhersage für das All eine wichtiger werdende Disziplin. Immerhin würde sie Infrastrukturbetreiber rechtzeitig vor möglichen Problemen warnen können.

Bei einem Sturm wie dem in der vergangenen Woche benachrichtigt Murtaughs Zentrum automatisch alle Stromnetzbetreiber in den USA und Kanada: „Wir haben schon Hunderte von Stürmen dieses Ausmaßes erlebt, sodass wir ein gutes Gefühl dafür haben, welche Auswirkungen sie auf das Stromnetz haben werden. Bei dieser Stärke bleiben die Auswirkungen in der Regel überschaubar.“

Das wird vielleicht nicht immer der Fall sein. Wenn sich mehrere mittelgroße oder große CME auf kurzer Strecke vor der Erde kannibalisieren, könnten die Auswirkungen weitaus ernster sein. Was die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits herausgefunden haben, ist, dass alle wirklich großen Sonnenstürme des letzten Jahrhunderts auf die Kannibalisierung mehrerer CME zurückzuführen waren.

Im Jahr 1989 etwa verursachte ein Sonnensturm einen zwölfstündigen Stromausfall in der kanadischen Provinz Quebec, während die USA laut der US-Weltraumbehörde Nasa mit einer Vielzahl von Störungen im Energienetz zu kämpfen hatten. Einer der größten bekannten Sonnenstürme, das Carrington-Ereignis von 1859, legte nach Angaben der Nasa die Telegrafensysteme lahm und brachte Polarlichter bis nach Hawaii.

Die Möglichkeiten, potenziell gefährliche geomagnetische Stürme nicht erst 20 Minuten vor ihrem Auftreten vorhersagen zu können, müssen also dringend verbessert werden. Dazu wollen die Forschenden daran arbeiten, die Funktionsweise der Sonne zu besser zu verstehen. Vorhandene Unsicherheiten sollen die Nasa-Missionen „Parker Solar Probe“ und „European-American Solar Orbiter“ beseitigen helfen. Momentan mache das die Vorhersage aber noch nicht einfacher, so Murtagh: „Es gibt einfach noch viele Unbekannte in der Weltraumwetterbranche.“