Wenn der Himmel zu glühen scheint
Alle Hintergründe zu Polarlichtern, die sogar in Europa sichtbar sind, wenn Sonneneruptionen einen regelrechten Weltraumsturm auf die Erde schicken
Die Sonne durchläuft im Jahr 2024 eine Phase maximaler Aktivität, die sich alle elf Jahre wiederholt. Im Oktober 2024 traf ein geomagnetischer Sturm zweithöchster Stufe die Erde, gefolgt von Polarlichtern, die bis nach Europa hin sichtbar waren. Die höchste Meldestufe erreichte ein Sturm um den 11. Mai 2024, der neben einem phantastischen Himmelsschauspiel vielerorts für Verunsicherung gesorgt hat. Sami Solanki, Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung, erklärt, wie das alles zusammenhängt.
Text: Tobias Beuchert
Zahlreiche Observatorien beobachten die Sonne und ihre Aktivität pausenlos. Alle elf Jahre zeigt sich die Sonne als besonders aktiv und es mehren sich dunkle Sonnenflecken auf der Sonnenoberfläche, die durch geeignete Sonnenfilter und -teleskope sichtbar sind. „Je mehr Sonnenflecken sich tummeln und je komplexer die Region aufgebaut ist, desto aktiver ist die Sonne“, sagt Sami Solanki. Er ist Direktor am Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung und leitet die Abteilung Physik der Sonne und der Heliosphäre. Aus diesen Sonnenflecken-Regionen bläst die Sonne geladene Teilchen teils in heftigen Schüben ins All. Nehmen diese Kurs auf die Erde, steigt die Chance auf besonders intensive Polarlichter, die sich bisweilen sogar bis in europäische Breiten ausdehnen. Doch wie hängt das alles zusammen?
Peitschenhiebe in Richtung der Erde
Erhöhte Sonnenaktivität
Über den Sonnenflecken strömt hell leuchtendes Plasma aus, macht einen weiten Bogen und verschwindet in der Nähe wieder in der Sonne. Hinter den Schleifen und Bögen verbirgt sich das Magnetfeld der Sonne. Auch hier gilt: Das Plasma der Sonne, also Protonen, Elektronen und andere elektrisch geladene Atome, bewegt sich vornehmlich entlang der Magnetfelder. „Es ist, als wäre das Magnetfeld im Plasma der Sonne eingefroren“, sagt Sami Solanki. Das Magnetfeld der Sonne spielt eine Schlüsselrolle bei der Entstehung der Polarlichter: „Es ist viel komplexer und dynamischer als das Magnetfeld der Erde.“ Die Sonne rotiert und mit ihr das Plasma in ihrem Inneren, als hätte man ein Goldfischglas einmal kräftig umgerührt. Die Magnetfelder, die so entstehen, wickeln sich durch die Rotation des Plasmaballs regelrecht auf – ein Wirrwarr an Feldlinien, die sich vor allem über Sonnenflecken auch mal kreuzen. Dabei kommt es auch zu magnetischen Kurzschlüssen, die einen Schwall geladener und magnetisierter Teilchen ins All schleudern. Die magnetischen Pakete, die hier buchstäblich geschnürt wurden, erreichen Geschwindigkeiten von Hunderten bis Tausenden Kilometern pro Sekunde, das sind mehrere Millionen Kilometer pro Stunde. Solche Auswürfe nennt man auch Coronal Mass Ejections, sie erreichen die Erde je nach Geschwindigkeit innerhalb eines Tages oder weniger Tage. „Das macht eine genaue Vorhersage schwer“, so Solanki. Unklar ist auch, wie viele Teilchen ein Ausbruch tatsächlich mit sich bringt.
Hat das Bombardement der Sonnenteilchen die Erde erreicht, wirkt das Erdmagnetfeld wie ein Schutzschild, denn Magnetfelder beeinflussen die Bewegung solcher Teilchen nach den Gesetzen der Elektrodynamik. Genauer: Das Erdmagnetfeld fängt die Teilchen ein und wird durch den Druck des Ladungsstroms auch mal ordentlich gequetscht. An den Erd-Polen führen die Feldlinien des bipolaren Magnetfeldes das Teilchenplasma in tiefe Atmosphärenschichten. Trifft es dort auf Sauerstoffmoleküle, regt es diese ab einer Entfernung von etwa 100 Kilometern über dem Erdboden zum Leuchten an, meist in der vom menschlichen Auge gut wahrnehmbaren grünlichen Farbe. „In niedrigeren geographischen Breiten schützt das Erdmagnetfeld stärker“, sagt Sami Solanki. „Es braucht schon einen wirklich starken Sonnensturm, damit man auch in Süddeutschland Polarlichter sieht.“ Südlich des Nordpols gelangen die geladenen Teilchen nur bis in die oberen Schichten der Atmosphäre, mehr als 300 Kilometer über dem Grund. Dort ist die Sauerstoffdichte geringer, weshalb der angeregte Sauerstoff nicht grünlich, sondern rötlich leuchtet.
Eine Weltraum-Wettervorhersage für Polarlichter
Auch wenn es schwer ist, genau zu bestimmen, mit welcher Geschwindigkeit die Teilchen die Sonne verlassen und wie viele von ihnen wann auf die Erde treffen werden, erlauben Satelliten der Weltraum-Wetterdienste zumindest eine „Last-Minute“ Vorhersage. Diese Satelliten befinden sich ständig auf der Achse zwischen Erde und Sonne und vermessen den Sonnenwind im Detail. Vom Zeitpunkt der Messung an dauert es nur noch 15 bis 60 Minuten bis der magnetische Teilchensturm auf die Erdatmosphäre peitscht. Vorhersagen für Polarlichter gibt es daher meist nur etwa 30 Minuten im Voraus. Ein Richtwert für einen nahenden Weltraum-Sturm ist auch der sogenannte Kp-Index. Je höher dieser Wert, desto stärker ist das Erdmagnetfeld gestört und desto höher ist auch die Wahrscheinlichkeit für Polarlichter.
Ein geomagnetischer Sturm höchster Stufe
Am 10. Oktober 2024 beobachteten die Weltraumwetterdienste einen geomagnetischen Sturm der zweithöchsten Klasse G4. Verantwortlich war eine Sonneneruption, die sich erst am Vortag ereignete. Das magnetisch geschnürte Paket an Sonnenplasma hat die Erde unter einem solchen Winkel getroffen, dass es das Erdmagnetfeld für kurze Zeit gehörig durcheinandergebracht hat. Der Kp-Index erreichte in der Nacht zum 11. Oktober einen Wert von acht, und die sozialen Medien füllten sich mit eindrucksvollen Fotos von rötlich-violetten Aurorae über Deutschland. Dass der Einfallswinkel von Sonnenflares entscheidend ist, zeigte auch ein Flare wenige Tage zuvor. Dieser war deutlich stärker, als er die Sonne verließ, sorgte im Erdemagnetfeld aber nur für eine schwächere Störung.
Ein noch heftigerer Sturm kollidierte am 11. Mai 2024 mit der Magnetosphäre der Erde. Es war ein geomagnetischer Sturm der höchsten Meldestufe G5. Am deutschen Nachthimmel mischen sich grüne und rote Aurorae zu einem Farbspektakel mit vielen Abstufungen, darunter auch Pink. Energieversorger hatten alle Hände voll zu tun, um das Stromnetz stabil zu halten, die Starlink-Flotte war dem Ereignis fast schutzlos ausgeliefert. Das Space Weather Prediction Center der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) meldete wenige Tage zuvor, dass sich nach einer Serie von Massenausbrüchen auf der Sonne mehrere magnetisch geschnürte Pakete geladener Teilchen auf den Weg zur Erde gemacht haben. Das Space Weather Network der Esa beobachtete, wie als Reaktion darauf der Kp-Wert steil nach oben schoss. „Dass uns etwas treffen wird, war abzusehen. Dass es so heftig sein würde, konnte man nicht genau vorhergesagen“, sagt Sami Solanki. Die Heftigkeit war wohl der Tatsache geschuldet, dass die Auswürfe nicht nacheinander bei der Erde eintrafen, sondern nach einer wahren Aufholjagd fast gleichzeitig und mit geballter Wucht ins Ziel rauschten.
Werden wir weiterhin Polarlichter sehen?
Ob man Polarlichter zu Gesicht bekommt oder nicht, hängt von vielen Faktoren ab und ist – wie so oft in der Natur – ein Spiel der Wahrscheinlichkeiten. „Trifft ein Teilchenstrom die Erde am Vormittag, ist es eher unwahrscheinlich, Nachts noch etwas zu sehen“, so Solanki. Auch hänge das atmosphärische Leuchtphänomen stark davon ab, wie das mitgeführte Magnetfeld des Sonnenwinds zu dem der Erde ausgerichtet ist. Eine aktive Sonne sei übrigens keine Garantie für eine Aurora Borealis, so Solanki. „Im Gegenteil: Es kann auch bei niedriger Sonnenaktivität einen starken Ausbruch geben. Es ist also schwer abzusehen, ob und wie stark die Erde in den nächsten Wochen oder Monaten getroffen werden wird und ob Polarlichter in Deutschland nochmal zu sehen sein werden.“ Wie alle Messwerte hat auch der sogenannte 11-Jahres Zyklus der Sonnenaktivität einen Unsicherheitsbereich. In Wahrheit folgt alle 9 bis 13 Jahre ein Maximum auf das nächste. So könnte das Aktivitätsmaximum mit dem geomagnetischen Sturm Mitte Mai bereits überschritten worden sein oder noch folgen. Ein gelegentlicher Blick auf die Vorhersageportale lohnt sich: Das sogenannte Polarlichtoval zeigt an, wo man bei einer sternklaren Nacht Glück haben könnte. Und manchmal zieht sich die Wahrscheinlichkeitsverteilung vom Polarkreis bis weit nach Süden. „Deutschland erstreckt sich Hunderte Kilometer von Nord nach Süd, insofern hat man an der Nordsee häufiger Glück als in Bayern“, sagt Sami Solanki.
Nah am Blackout vorbeigeschrammt
Polarlichter sind ein Schauspiel. Sie machen aber auch eine Bedrohung sichtbar, die verheerende Auswirkungen auf unseren Alltag haben kann. Eine Studie der Europäischen Weltraumorganisation beziffert den sozioökonomischen Schaden, den ein einzelnes, fatales Weltraumwetterereignis in Europa anrichten kann, auf rund 15 Milliarden Euro. Als die Erde zuletzt 2003 von einem derart extremen Sonnensturm getroffen wurde, brachen in Schweden Teile des Stromnetzes zusammen. Nach den gleichen Regeln der Elektrodynamik, nach denen das Erdmagnetfeld durcheinander gerät, wenn eine Ladungswolke von der Sonne darüber hereinbricht, kann das sich verändernde Magnetfeld wiederum den Elektronen in Stromtrassen auf der Erde zusätzlichen Schwung verleihen. Solche induzierten Stromspitzen sind in der Lage, Transformatoren zu beschädigen und ein Stromnetz lahmzulegen. Dieser Effekt steht in keinem Verhältnis zu und ist viel stärker als gelegentliche Unregelmäßigkeiten in der Stromversorgung durch erneuerbare Energien.
Auch Satelliten können bei einem solchen Ereignis betroffen sein. Neben der empfindlichen Technik an Bord, die durch beschleunigte Sonnenteilchen beschädigt werden kann, heizen Sonnenstürme die Erdatmosphäre auf, die sich dadurch nach oben ausdehnt. Ein Satellit in einer niedrigen Umlaufbahn wird dann durch die erhöhte Reibung mit den Luftteilchen regelrecht ausgebremst. Ein schwächerer Sonnensturm brachte auf diese Weise im Jahr 2022 gleich 44 Starlink-Satelliten zum Absturz. Während die Starlink-Flotte den Sturm am 11. Mai 2024 unbeschadet überstand, brachte der Teilchenwind aber die Ionosphäre durcheinander, die die kurzwelligen Funksignale zwischen GPS-Satelliten und Empfänger durchqueren müssen. Dies führte bisweilen zu Ungenauigkeiten bei der GPS-Ortung. Dass der außergewöhnlich starke Sonnensturm im Mai 2024 so wenig Schaden angerichtet hat, liegt zum einen daran, dass Energieversorger Stromnetze zunehmend widerstandsfähig gestalten, zum anderen an der Qualität der Vorhersagen. Diese helfen also nicht nur denjenigen, die Polarlichter sehen wollen, sondern dienen auch der allgemeinen Sicherheit.
Hintergrundinformationen und FAQ
Wie verändert sich die Sonnenaktivität?
Die Sonne verändert ihre Aktivität durchschnittlich in einem 11-Jahres Zyklus. Auf ein Maximum folgt in 9 bis 13 Jahren ein weiteres Maximum. Ein Maß für eine erhöhte Sonnenaktivität sind dabei die Sonnenflecken: Zählt man sie und trägt die Anzahl über die Zeit auf, ergibt sich ein ganz ähnlicher, zyklischer Verlauf wie bei der Strahlungsintensität der Sonne.
Was ist die Ursache für den 11-Jahres Zyklus?
Der Zyklus hat direkt etwas mit dem sich ständig verändernden Magnetfeld der Sonne zu tun. Dieses hat, ähnlich wie die Erde, eine dipolartige Struktur und entsteht durch die Ströme des heißen Plasmas, die im Inneren der Sonne auf und absteigen und sich wie ein Dynamo mit der Rotation der Sonne im Kreis drehen. Alle 9 bis 13 Jahre polt sich dieses Feld vollständig um.
Warum sich das Magnetfeld umpolt, ist nicht abschließend geklärt. Plausibel aber erscheint dieses Szenario: Die geladenen Teilchen im Sonnenplasma und das Magnetfeld der Sonne können sich nicht gegeneinander bewegen. „Das Plasma ist im Magnetfeld eingefroren“, so beschreibt es Sami Solanki. Die Sonne ist kein starrer Körper, sondern ein Gasball, der durch seine eigene Schwerkraft zusammenhält. Hier rotiert der Äquator schneller um die Sonnenachse als die Polregionen. „Diese differentielle Rotation führt dazu, dass sich das ursprünglich dipolartige Magnetfeld aufgewickelt“, so Solanki weiter. Das Magnetfeld der Sonne verwandelt sich so in fünf bis sechs Jahren von einem Dipol in ein sogenanntes toroidal-dominiertes Magnetfeld. Beim weiteren Umschwenken hin zu einem Dipolfeld umgekehrter Polarität, könnte laut Solanki die Corioliskraft eine Rolle spielen.
Das Aktivitätsmaximum der Sonne fällt genau in den Zeitraum, in dem sich ihr Magnetfeld aufwickelt. Diese Umbruchphase ist gezeichnet durch turbulente Feldkomponenten und sich dynamisch überlagernde Feldlinien. Wenn sich diese einschnüren, entstehen magnetische Kurzschlüsse. Dabei wird so viel Energie freigesetzt, dass das Plasma mit samt des abgeschnürten Magnetfelds ins Weltall spratzt.
Verändert sich auch die Wärmeeinstrahlung der Sonne im 11-Jahres Zyklus?
Ja, aber nur wenig im Vergleich zur menschengemachten Erderhitzung. Ohne das wärmende Licht der Sonne, wäre es auf der Erde mit etwa -19 Grad Celsius sehr kalt. Der natürliche Treibhauseffekt speichert dabei insbesondere den wärmenden Infrarotanteil des Sonnenspektrums unter der Glocke der Atmosphäre. Der von der Internationalen Astronomischen Union festgelegte Richtwert für die pro Quadratmeter eingebrachte Sonnenleistung beträgt aktuell 1361 Watt pro Quadratmeter. Auch dieser Wert unterliegt dem 11-Jahres-Zyklus. Er schwankt aber nur um etwa ein Watt pro Quadratmeter zwischen maximaler und minimaler Sonnenaktivität. Unter dem Strich heizt sich die Erde dadurch weder dauerhaft auf noch kühlt sie sich dauerhaft ab.
Dem gegenüber steht der menschengemachte Treibhauseffekt, hervorgerufen etwa durch CO2 oder Methan (CH4). Alle menschengemachten Treibhausgase zusammen heizen die Erde um ganze drei Watt pro Quadratmeter auf. Und da die Treibhausgase nicht rückläufig sind (im Gegenteil), bedeutet das eine kontinuierliche Aufheizung. Die 11-Jahres Schwankung der Sonnenaktivität spielt bei der Klimaerwärmung also keine Rolle. Bemerkenswert ist die kurze Zeitskala innerhalb der die Energiebilanz der Erde durch den Menschen verändert wurde.
Was ist der Unterschied zwischen einem geomagnetischen Sturm und einem Strahlungssturm?
Bei einem Strahlungssturm werden geladene Teilchen, also Elektronen oder Protonen, auf besonders hohe Geschwindigkeiten beschleunigt. Die Ursache dafür sind magnetische Ausbrüche auf der Sonne, die auch Massenauswürfe zur Folge haben. Strahlungsstürme werden von der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) in S-Klassen eingeordnet (S1 bis S5).
Ein geomagnetischen Sturm führt ebenfalls geladene Teilchen mit sich, diese sind in einem massiven Plasmapaket magnetisch eingeschlossen, welches das Erdmagnetfeld beim Auftreffen stört. Diese Art der Stürme sind die Folge von Coronalen Massenauswürfen der Sonne und werden von der NOAA in G-Klassen eingeordnet (G1 bis G5).
Wie schützen sich Astronautinnen und Astronauten vor Sonnenstürmen?
Stark beschleunigte Teilchen sind eine besondere Gefahr für Astronautinnen und Astronauten, die sich jenseits des schützenden Erdmagnetfelds aufhalten. Diese Teilchen dringen tief in menschliches Gewebe ein und können etwa die DNA schädigen. Laut der Nasa bestand beim Sonnensturm vom Mai 2024 keine direkte Gefahr für die Crew der Internationalen Raumstation. Hier handelte es sich um einen extremen geomagnetischen Sturm aber nur um einen moderaten Strahlungssturm der Klasse S1-S2. Im Extremfall gibt es speziell abgeschirmte Bereiche auf der Raumstation, die einen gewissen Schutz bieten. Strahlungsausbrüche der Sonne sind auch eine große Herausforderung für zukünftige bewohnte Stationen auf dem Mond oder dem Mars. Es gibt Vorschläge, wonach langfristig bewohnte Siedlungen etwa unter der Marsoberfläche Schutz finden könnten.
