Dennis L.
Ein außergewöhnlich starker Sonnensturm traf im Mai 2024 auf die Erde und drückte das Magnetfeld messbar zusammen. Ein japanischer Forschungssatellit befand sich zufällig genau im richtigen Bereich, um die geladenen Teilchen im sogenannten Ringstrom direkt zu vermessen. Die Auswertung bei einem minimalen SYM-H-Index von minus 518 Nanotesla liefert ein überraschendes Bild davon, woher diese Teilchen tatsächlich kamen. Damit rückt eine lange offene Frage der Weltraumphysik in ein neues Licht.
Wenn auf der Sonne gewaltige Eruptionen und koronale Massenauswürfe entstehen, schleudert unser Stern riesige Mengen elektrisch geladener Teilchen in den Raum. Treffen diese Wolken aus magnetisiertem Plasma auf das Erdmagnetfeld, entsteht ein geomagnetischer Sturm, der die Magnetosphäre der Erde staucht und verformt. Sichtbarster Ausdruck dieses Weltraumgeschehens sind Polarlichter, die bei besonders kräftigen Ereignissen bis in mittlere Breiten reichen und im Mai 2024 auch über weiten Teilen Deutschlands zu sehen waren. Ein solcher Sonnensturm ist jedoch weit mehr als ein Naturschauspiel, denn die einströmenden Teilchen können Satelliten beschädigen, Navigationssignale stören und in ausgedehnten Stromnetzen gefährliche Ströme auslösen. Über Jahrzehnte galt dabei die Sonne als naheliegende Hauptquelle jener energiereichen Teilchen, die sich in der Nähe der Erde ansammeln und dort das Magnetfeld schwächen. Genau diese Annahme stellt eine neue Auswertung nun auf eine belastbare Datengrundlage.
Im Zentrum steht der sogenannte Ringstrom, ein gewaltiger Gürtel energiereicher Ionen, der tausende Kilometer über dem Äquator langsam um die Erde driftet und für die magnetische Störung eines Sturms verantwortlich ist. Dieser Strom kann sich grundsätzlich aus zwei Quellen speisen, dem Sonnenwind einerseits und der Ionosphäre andererseits, also der elektrisch geladenen oberen Schicht der Erdatmosphäre. Dass aus dieser Hochatmosphäre laufend geladene Teilchen bis in den erdnahen Raum aufsteigen, zeigt sich auch daran, dass die Erde ein bislang wenig beachtetes drittes Energiefeld besitzt, das leichte Ionen nach oben befördert. Welchen Anteil die beiden Quellen am Ringstrom eines wirklich starken Sturms haben, war unter Fachleuten allerdings lange umstritten. Direkte Messungen fehlten bisher, weil sich Superstürme dieser Größenordnung nur selten ereignen und ein geeignetes Messgerät zur richtigen Zeit am richtigen Ort sein muss.
Möglich wurde die Messung durch einen glücklichen Zufall. Der japanische Forschungssatellit Arase, seit Dezember 2016 im All, umkreist genau jene Region, in der sich der Ringstrom bildet, und trägt Instrumente, die Masse und Energie einzelner Ionen bestimmen können. Als am 10. und 11. Mai 2024 einer der stärksten jemals gemessenen geomagnetischen Stürme die Erde traf, durchquerte die Sonde den Ringstrom kurz nach Sturmbeginn und ein weiteres Mal nahe dem Höhepunkt. Wie das Forschungsteam der Universität Nagoya mitteilt, erreichte der als Gannon-Sturm bezeichnete Ausbruch einen minimalen SYM-H-Index von minus 518 Nanotesla und damit den zweitgrößten Wert seit dem Jahr 1981. In rund 16000 Kilometern Höhe registrierte die Sonde nahe dem Sturmmaximum einen Rückgang der magnetischen Feldstärke um etwa 40 Prozent, und das deutlich näher an der Erde als bei vergleichbaren Einbrüchen zuvor.
Die eigentliche Überraschung lieferte die Zusammensetzung dieser Teilchen. Rund 85 Prozent der Ionen im Ringstrom waren vergleichsweise schwere Sauerstoffionen, die nicht aus dem Sonnenwind, sondern aus der etwa 1000 Kilometer hohen Ionosphäre der Erde stammten. Nach den in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Ergebnissen handelt es sich um die erste gleichzeitige Beobachtung von Ringstrom-Ionen und Sonnenwind während eines derart heftigen Sturms. Damit dreht sich das lange gezeichnete Bild teilweise um, wonach vor allem die Sonne den erdnahen Raum mit geladener Materie flutet. Zwar bleibt die Sonne der Auslöser des gesamten Geschehens, doch die Teilchen, die das Magnetfeld unmittelbar schwächen, entstammen zu einem großen Teil dem eigenen Planeten und werden durch die Energiezufuhr des Sturms aus der Hochatmosphäre nach oben getrieben. Dieser Unterschied ist entscheidend, weil er beeinflusst, wie schnell und wie stark ein Sturm das schützende Magnetfeld verformt.
Der Befund hat handfeste praktische Bedeutung, denn er verändert das Verständnis davon, wie ein starker Sturm überhaupt wirkt. Wenn die den Ringstrom tragenden Teilchen überwiegend aus der Ionosphäre stammen, hängt die Wucht eines Ereignisses nicht allein von der Stärke des Sonnenwinds ab, sondern auch vom Zustand der oberen Erdatmosphäre. Für die Vorhersage von Weltraumwetter ist das entscheidend, weil sich Strahlungsrisiken für Raumfahrzeuge, Störungen von Navigations- und Kommunikationssignalen sowie großräumige Stromausfälle nur dann verlässlich abschätzen lassen, wenn beide Quellen berücksichtigt werden. Wie empfindlich moderne Technik auf solche Ereignisse reagiert, zeigte sich bereits am Verlust mehrerer Starlink-Satelliten, die ein vergleichsweise moderater Sturm aus der Umlaufbahn drängte. Für Betreiber von Satelliten und Hochspannungsnetzen bedeutet die Studie, dass Frühwarnsysteme die Rolle der irdischen Ionosphäre künftig stärker einbeziehen müssen, um seltene Extremereignisse realistisch einzuordnen.
Ganz neu ist die Sorge vor extremen Weltraumwetterlagen nicht. Historische und geologische Archive belegen, dass die Erde in der Vergangenheit von weit heftigeren Ausbrüchen getroffen wurde, etwa von einem rekordverdächtigen Sonnensturm der Eiszeit, dessen Spuren sich in kosmogenen Isotopen erhalten haben. Ein Ereignis dieser Größenordnung träfe heute eine hochgradig vernetzte Infrastruktur, die es zur Zeit früherer Superstürme noch nicht gab. Die aktuelle Messung schärft das Bild solcher Szenarien, weil sie zeigt, welche physikalischen Prozesse den Ringstrom eines Sturms tatsächlich anfachen. Je genauer bekannt ist, wie stark die Ionosphäre zum geladenen Material im erdnahen Raum beiträgt, desto belastbarer lassen sich Schwellenwerte für Warnungen, Redundanzen und Schutzmaßnahmen festlegen. Für die Forschung eröffnet der direkte Nachweis am Ringstrom zudem die Möglichkeit, Modelle der Magnetosphäre an realen Extremdaten zu überprüfen und die Kopplung zwischen Sonne, Magnetfeld und Atmosphäre präziser zu beschreiben.
Science Advances, Extreme dominance of Earth-origin heavy ions in the intense ring current near the Earth during the May 2024 super geomagnetic storm; doi:10.1126/sciadv.aee1069