Gefahren

Obwohl die Auswirkungen des Space Weathers überwiegend nur die Magnetosphäre sowie die obere und mittlere Atmosphäre betreffen, können sich ihre Effekte in unserer zunehmend technisierten Zivilisation auch an der Erdoberfläche weitreichend bemerkbar machen. Dies bezieht sich vor allem auf Kommunikation, Navigation, Flugverkehr, Strom- und Energieversorgung.

Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Ionosphäre zu. Zunächst einmal ermöglicht sie bodengestützte Kommunikation, indem sie Radiowellen, also z.B. auch den Funkverkehr, über größere Distanzen verbreitet als es infolge der Krümmung der Erdoberfläche auf direktem Wege möglich wäre. Dies funktioniert aufgrund ihrer Fähigkeit, elektromagnetische Wellen eines bestimmten Frequenzbereiches, der stark von der Elektronendichte abhängig ist, zu reflektieren. Vervielfachen sich während eines intensiven R-Sturmes die in der oberen und mittleren Atmosphäre natürlich ablaufenden Photoionisationsprozesse und erhöht sich dadurch die Elektronendichte, so ändern sich auch die Reflexions- und Absorptionseigenschaften der ionosphärischen Regionen. Die Spiegelungen z.B. von HF/KW erfolgen jetzt häufig schon in geringeren Höhen als im Normalfall, wodurch sich die Reichweitenqualität dieses Frequenzbereiches verschlechtert. In diesem Zusammenhang seien auch die bisweilen markanten Radiowellenemissionen der Flares, sogenannte SRBs (Solar Radio Bursts), erwähnt, welche an der Erdoberfläche zeitweilig ein erhebliches Empfängerrauschen produzieren (umfasst auch den UHF-Bereich). Während G-Stürmen kommen dichte inhomogene Elektronenwolken („sporadische Es-Schichten“) nachteilig zum Tragen, indem sie die auftreffenden Radiowellen nicht geordnet, sondern vielmehr in zufällige Richtungen weiterleiten. Nach extremen Sonneneruptionen sind jedenfalls auch völlige Ausfälle des Funkverkehrs oder zumindest bestimmter Frequenzbereiche davon keinesfalls ungewöhnlich. Man spricht dann entweder von SID (Sunlit Ionospheric Disturbance), wenn das Blackout auf die plötzlich intensivierte kurzwellige elektromagnetische Strahlung an der Tagseite zurückzuführen ist bzw. von PCA (Polar Cap Absorption), wenn das Eindringen energiereicher Protonen in polaren geomagnetischen Breiten Ausfälle verursacht.

Neben der bodengestützten ist aber auch die satellitenbasierende Kommunikation sowie die Navigation von Veränderungen des Ionisationsgrades der hohen Atmosphäre erheblich betroffen. So werden die im Mikrowellenbereich abgestrahlten GPS-Signale beim Durchdringen einer vermehrt mit Elektronen angereicherten Ionosphäre vor allem während geomagnetischer Stürme spürbar verlangsamt. Die Folge sind fehlerhafte Signallaufzeiten, die ohne geeignete Korrekturdaten ungenaue Positionsbestimmungen hervorrufen. Die Korrekturdaten werden z.B. von sogenannten Augmentation Systemen bereitgestellt, allerdings sind diese bei starken Stürmen fallweise nicht erreichbar. Zudem besteht auch noch die Gefahr, dass Kommunikations- und Navigationssatelliten, die stärker ionisierte Regionen durchqueren, Schaden erleiden oder fehlerhafte Sensordaten produzieren. Als Reaktion vergrößern Flugsicherungen in solchen Situationen fallweise die Mindestabstände zwischen Flugzeugen, um die Sicherheit des Flugverkehrs weiterhin in ausreichendem Maße zu gewährleisten. Ein spezielles Phänomen äquatornaher geomagnetischer Breiten ist das sporadische Auftreten von Szintillationen, welche besonders in Regionen ausgeprägter räumlicher Elektronendichtegradienten häufiger vorkommen. Dabei werden einzelne GNSS-Signale so verzerrt, dass sie vom Empfänger teils nicht verarbeitet werden können („loss-of-lock“).

R-Stürme sind meist kurzzeitige Ereignisse, für die es keinerlei Vorwarnung gibt, die aber auch nur Minuten bis maximal wenige Stunden andauern. G-Stürme können hingegen bis zu einige Tage im Voraus vorhergesagt werden. Sie dauern manchmal aber auch einige Tage lang an. Der längstandauernde geomagnetische Sturm seit Beginn der Aufzeichnungen im Jahre 1933 tobte 93 Stunden lang ohne Unterbrechungen (19. Sep. 1951 12z – 23. Sep. 1951 09z). Der stärkste geomagnetische Sturm aller Zeiten wurde in der Nacht vom 13./14. März 1989 registriert und ging durch seine katastrophalen Auswirkungen auf die Stromversorgung in Quebec in die Geschichte ein. Großflächige Stromausfälle während intensiver G-Stürme sind auf Starkströme zurückzuführen, die entsprechend dem Maxwellschen Induktionsgesetz („zeitabhängige magnetische Felder rufen ein elektrisches Wirbelfeld hervor“) als Folge der erheblichen Variationen des ionosphärischen Magnetfeldes (im Umkreis ausgeprägter PEJs) in der Erdkruste als so genannte GIC (Geomagnetically Induced Currents) induziert werden. Treffen diese Starkströme auf Materialien mit hohem Widerstand, so verlassen sie den Erdboden und fließen in langen Leitern wie zum Beispiel Hochspannungsleitungen und Tiefseekabeln oder Öl- und Gaspipelines weiter. Bei letzteren produzieren sie Korrosion, bei ersteren Überspannungsspitzen und im Extremfall überhitzte Transformatoren. Ein nicht unbedeutender Nebeneffekt davon wäre ein weitreichender Ausfall des Internets.

S-Stürme werden durch Protonenflüsse verursacht, die sowohl eine hohe Partikelflussdichte als auch eine entsprechend hohe Energiemenge aufweisen. Dabei müssen Protonen >10MeV am Oberrand der Erdatmosphäre einen Schwellwert von 10p/srcm²s überschreiten. Die Energiemenge bestimmt, neben der lokalen Magnetfeldstärke der Erde sowie dem Einfallswinkel zu den magnetischen Feldlinien, die Eindringtiefe der Protonen in die Atmosphäre, wobei 10MeV etwa für einen Vorstoß in die obere Stratosphäre ausreicht. Um ein nennenswertes Vordringen auch bis in den kommerziell genutzten Luftraum zu ermöglichen, sind vermutlich Protonenenergien von mehr als 350-500MeV nötig. Erreichen die Protonen bzw. durch SPEs (Solar Proton Events) hervorgerufene Sekundärprodukte deutlich messbar sogar den Erdboden, so spricht man von einem GLE (Ground Level Event oder Ground Level Enhancement). S-Stürme können bis zu einige Tage lang ununterbrochen andauern. Neben Fehlfunktionen der Elektronik und Avionik aufgrund von SEUs (Single Event Upsets) verursachen hochenergetische Protonen vor allem eine erhöhte Strahlungsbelastung für Crew und Passagiere (speziell in großen Flughöhen und über polaren geomagnetischen Breiten, eventuell auch über dem westlichen Südatlantik und dem zentralen Südamerika, welche sich im Einflussbereich der „Südatlantik-Anomalie“ befinden, einer noch nicht ausreichend erklärten erheblichen Abschwächung des Erdmagnetfeldes in dieser Region). Der ausgeprägteste Protonen-Event seit Beginn der Messungen im Jahre 1976 wurde am 24. März 1991 registriert. An diesem Tag stieg die Raumdurchflussstärke von Protonen >10MeV am Oberrand der Erdatmosphäre auf 43.000p/srcm²s.

Andreas Pfoser, 12. März 2018

Comments are closed.