Beobachtungstipp im Mai 2008

"Und nach dem Wetter die aktuellen Hinweise für Weltraumreisende...". So oder so ähnlich könnte die Tagesschau in einigen Jahren enden. Nach dem Wetter folgt dann das Weltraumwetter. Weltraumwetter? - Nun geht es aber los, wird so mancher denken. Regen und Aquaplaning auf der Milchstraße? Meteorsturm zwischen Mars und Jupiter, oder was? Nein so ist das nicht gedacht. Fangen wir also ganz vorne an.

Um das Wetter müssen wir uns keine Sorgen machen. Das Wetter begleitet uns seit der Entstehung des Sonnensystems. Die Erde hat noch keinen Tag ohne Wetter erlebt. Für die Lebewesen auf der Erde ist das Wetter eine Lebensnotwendigkeit. Kein Wunder, dass die Menschen sich schon seit Urzeiten mit dem Wetter beschäftigen. Wetter und Klima sind in den letzten Jahren sogar zu einem Kernthema menschlicher Aktivitäten geworden. So ist es nicht erstaunlich, dass die Erde nicht mehr als geschlossenes Klimasystem betrachtet wird, sondern dass auch außerirdische Einflüsse berücksichtigt werden, um ein Verständnis für unsere Umwelt zu entwickeln.

Die Meteorologen betrachten für die Wettervorhersage diese aufwändigen Modelle freilich noch nicht. Deshalb wird es noch einige Jahre dauern bis das Weltraumwetter am Ende der Nachrichtensendungen präsentiert wird.

Das Wetter spielt nicht nur auf der Erde eine Rolle. Viele Planeten und Monde haben ein Wetter. Die dichte Venusatmosphäre zum Beispiel verschleierte das Antlitz des Planeten. Doch wissen wir, dass dort bei höllischen Temperaturen hin und wieder ein Schwefelsäureregen nieder geht. Ganz anders der kühle Mars. Die dünne Atmosphäre aus Kohlendioxid hüllt den Planeten zwar vollständig ein und sorgt für ein windiges Klima. Wolken bilden sich aber nicht. Der Marsmeteorologe hätte leichtes Spiel. Allenfalls die Polhauben können von einer hochnebelartigen Dunstschicht überzogen werden.

Generell hat jeder Himmelskörper, der eine Atmosphäre an sich binden kann, ein Wetter. Aber eine Atmosphäre allein macht noch kein Wetter.

Der Motor allen Wetters ist natürlich die Sonne. Ihre Energie treibt alle Wetter in diesem Sonnensystem an. Aus einer Entfernung von 150 Mio. km bestrahlt sie jeden Quadratmeter der Erde mit 1.360 Watt satter Sonnenenergie. Und das Wetter sorgt für die gerechte Verteilung dieser Energie.

Mit der Sonne haben wir einen richtigen Glücksgriff getan. Die Sonne ist ein guter Stern, ein G-Stern. G-Sterne sind nach dem Hertzsprung-Russeldiagramm, Sterne mit etwa einer Sonnenmasse und einer Sonnenleuchtkraft. Das klingt plausibel. Sterne anderer Spektralklassen können ein Vielfaches der Leuchtkraft und viel größere Massen besitzen. Doch gerade ein Stern der Spektralklasse G ist ein idealer Lebensraum, da er angenehme Temperaturen mit langer Lebensdauer verbindet. Und die Sonne ist schon seit Milliarden von Jahren ein zuverlässiger Energielieferant. In den letzten Jahren rück te die Sonne sehr in die Fokus der Wissenschaft. Denn auch ein ruhiger Stern hat aufregende Seiten.

Seit 400 Jahren beobachtet man Flecken auf der Sonne. Diese Flecken entstehen und vergehen wieder. Intensive Beobachtungen brachten einen 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus zu Tage. Im 11-jährigem Rhythmus schwankt die Aktivität der Sonnen hinsichtlich der Fleckenproduktion. Verbunden ist die Schwankung der Aktivität mit der Ausprägung der Sonnenkorona. Die Sonnenkorona ist ein rätselhafter Strahlenkranz, der die Sonne umgibt. Die Korona der Sonne ist nur während der Totalität einer Sonnenfinsternis sichtbar. Das machte die Erforschung dieser Erscheinung sehr schwer. Heute wird die Sonne durch Satelliten permanent überwacht und das Phänomen der Korona ist rund um die Uhr zu beobachten. Man benötigt weder Teleskop, noch klaren Himmel, um sich einen Eindruck von der Sonnenaktivität zu machen. Ein Besuch der Internetseiten der ESA und der NASA zeigen aktuelle Aufnahmen der Sonne für jedermann.

Trotz intensiver Forschung birgt die Sonne und ihre Aktivität so manches Geheimnis. Die sichtbare Oberfläche der Sonne ist etwa 6.000°C heiß. Die Sonnenflecken sind mit 4.500°C gute 1.500°C kühler. Neben den Flecken findet man auch helle Gebiete auf der Sonne, die so genannten Fackelgebiete, die wenig heißer sind, als der Rest der Sonne. Die rätselhafte Korona ist sogar mehrere Millionen Grad heiß. Das ist sehr verwunderlich. Es ist so als würde Wasser über einer lauwarmen Herdplatte kochen. Hier wird deutlich, dass die Sonne mehr ist, als eine leuchtende Gaskugel, in deren Zentrum die Kernfusion von Wasserstoff zu Helium, den Energiezufluss aufrecht erhält. Apropos Kernfusion: Die Kernfusion ist eigentlich garnicht der Grund für die Leuchtkraft der Sonne. Selbst ohne Kernfusion würde die Sonne leuchten. Allein die sagenhafte Masse der Sonne und das damit verbundene Gravitiationspotential würde das Gas so stark zusammenziehen, dass es sich erhitzten würde. Die Kernfusion im Zentrum der Sonne verhindert nur den Kollaps der Gaswolke, indem sie eine Gegenkraft, einen Druck, erzeugt. Jedenfalls zaubert man damit keine Flecken auf die Sonne. Auch findet man keine Erklärung für die heiße Korona.

Das Licht der Korona ist elektrisches Licht. Das Geheimnis der vielfältigen Erscheinungen auf der Sonnenoberfläche liegt im Magnetfeld der Sonne. Das Sonnenmagnetfeld, erzeugt durch die rotierende Sonne, deren heiße Oberfläche aus ionisiertem Wasserstoff besteht, umgibt die Sonne, wie ein gigantischer elektrischer Käfig. Innerhalb der Magnetfeldlinien kann Wasserstoffgas gefangen werden, beschleunigt und so auf hohe Energien gebracht werden. Die ionisierten Partikel, also die Elektronen und Protonen, können die Sonnenoberfläche verlassen. Störungen im Magnetfeld erzeugen kühlere Stellen auf der Sonne. Dort wird Energie durch die elektrischen Felder fortgetragen. Die Abkühlung zeigt sich durch die Sonnenflecken. An anderer Stelle halten Magnetfeldschlaufen auf der Sonnenoberfläche große Gasmengen gefangen und tragen sie in den interplanetarischen Raum. Fackeln und Protuberanzen können beobachtet werden. Die Amateurastronomie ist mittlerweile mit mehr oder weniger günstigen Sonnenteleskopen ausgestattet, so dass auch der geneigte Amateur derartige Erscheinungen auf der Sonne beobachten kann.

Derartige Bedingungen mögen kein Erstaunen mehr auslösen, dass ein permanenter Strom von Sonnenmaterie, einzelne Protonen und Elektronen, die Sonnenoberfläche verlassen und sich als leuchtende Korona zeigen. Die Teilchen strömen ab und beginnen als Sonnenwind ihre Reise durch den interplanetaren Raum. Ein schöner Tag im Sonnensystem wird durch eine milde Sonnenwindbrise geprägt, der mit 300 bis 500km/s am Ort der Erde noch bis zu 10 Teilchen pro Kubikzentimeter um unsere Astronautennase weht. Zu stürmischen Zeiten, wenn die Sonne innerhalb ihres 11-jährigen Zyklus besonders aktiv ist, schwillt der Sonnenwind auch schon mal zum Sonnensturm an. Die Teilchendichte steigt um das 5 bis 6-fache und die Windgeschwindigkeit trägt die Protonen und Elektronen mit über 2.000km/s durch das Sonnensystem. Einem solchem Sturm gehen gewaltige Vorgänge auf der Sonne voraus. Explosionen auf der Sonne, hervorgerufen durch elektrische Kurzschlüsse. Sonnenmaterie, die gefangen im magnetischen Käfig der Sonne war, wird beschleunigt und in den Weltraum geschleudert. Die Stärke dieser Ausbrüche wird in vier Klassen eingeteilt. Man unterscheidet C, M, X und Megaclass-Flares. Begleitet werden die Flares häufig von koronalen Massenausbrüchen, den so genannten CMEs (Coronal Mass Ejection). CMEs tragen große Mengen an geladenen Teilchen in den interplanetaren Raum. Satelliten messen die ausgesendete Strahlung des Flares und geben Auskunft über die Folgen für die Bewohner unseres Planeten. Wir bekommen also schon heute eine Weltraumwettervorhersage. Das Internet ermöglicht es uns, die Sonnenwinddaten in Realzeit abzufragen. Das Weltraumwetter hat hier sogar eine bessere zeitliche Auflösung als die Wettersatellitendaten.

Polarlicht an der Josef-Bresser-Sternwarte

Ein Sonnensturm ist für uns Bewohner der Erde kein gefährliches Ereignis. Wir würden einen solchen Sturm nicht einmal bemerken. Die Erde besitzt nämlich ebenfalls ein effektives Magnetfeld. Dieses Magnetfeld ist in der Lage, die elektrisch geladenen Teilchen des Sonnenwinds wirkungsvoll abzulenken. Lediglich an den Polen können einzelne elektrisch geladene Teilchen in die dünne Hochatmosphäre der Erde eintreten. Die dünne Gashülle der oberen Atmosphäre wird dabei zum Leuchten angeregt. Man beobachtet die Aurora, das Polarlicht. Dieses wundersame Leuchten kann nach einem M-Class-Flare sogar bis in die tiefen Breiten Mitteleuropas zu beobachten sein. Die Teilchen des solaren Sturmes sind nämlich in der Lage, das Erdmagnetfeld stark zu stören, es sogar teilweise aufzulösen.

Aber auch wenn das bedrohlich klingt, Gefahr für das Leben auf der Erde besteht nicht. Unsere moderne Gesellschaft muss sich aber auf Sonnenstürme vorbereiten. Das Weltraumwetter ist ein wichtiger Faktor menschlicher Aktivitäten. Im Jahre 1989 kam es in Kanada zu Stromausfällen, weil Transformatorstationen durch Überspannungen zerstört wurden. Der Strom wurde durch das schwankende Magnetfeld der Erde, das infolge eines schweren solaren Sturms beeinträchtigt wurde, in den Überlandleitungen induziert.

Wirksame Schutzmaßnahmen verhindern heute solche Schäden. Nicht ganz so geschützt sind die vielen Satelliten, die vielfältige Aufgaben zum Wohle unserer Zivilisation im Orbit erfüllen. Eine wichtige Aufgabe für die Betreiber der Satelliten ist der Schutz ihrer Gerätschaften vor solaren Stürmen. Umso wichtiger ist die Überwachung der Sonnenaktivität und damit die Vorhersage des Weltraumwetters. Bemannte Raumstationen und zukünftige Weltraumreisende müssen sich ebenfalls vor dem widrigen Weltraumwetter schützen.

Abgesehen von den Sonnenstürmen erfüllt der Sonnenwind eine wichtige Schutzfunktion für uns Erdenbewohner. Weit vor den Toren des Sonnensystems trifft der solare Wind auf die galaktische Strahlung. Diese Strahlung, verursacht von den Supernovaresten, Pulsaren, dem galaktischen Zentrum, den Sternentstehungsgebieten unserer Milchstrasse, ist keine harmlose Angelegenheit. Es sind energiereiche Teilchen, die unsere Erdatmosphäre sehr zusetzen würden. Die Strahlendosis hätte schlimme Folgen für das Leben. Hätte sie, wenn der solare Wind nicht blasen würde. Denn dort, wo der solare Wind auf die kosmische Strahlung trifft, in 12 bis 15 Milliarden Kilometer Distanz zur Erde, bildet sich eine Schock front, die einen Großteil der Strahlung ablenkt. Unsere Erde befindet sich wohlbehütet in der Atmosphäre der Sonne. Der so genannte Forbrush-Effekt wirkt wie ein Schutzschild. Die Aktivität der Sonne bestimmt die Stärke des Forbrush-Effektes. In Zeiten großer Sonnenaktivität wird auf der Erde ein Nachlassen der kosmischen Strahlung gemessen. Umgekehrt nimmt die gemessene kosmische Strahlung bei schwacher Sonnenaktivität zu.

Das Zusammenspiel von Sonnenwind und kosmischer Strahlung fügt sich wunderbar in das Verständnis des Sonnensystems ein. Vermutet wird ein Einfluss des Forbrush-Effektes auf das irdische Klima. Spätestens jetzt sollte jedem bewusst werden, das die Erde keine autarke Welt für sich ist. Die Erde ist mehr den außerirdischen Einflüssen ausgesetzt als wir vielleicht vermuten.

Es wird angenommen dass die kosmischen Teilchen tief in die wetterbestimmende Troposphäre eindringen können. Sie bilden dann Kondensationskeime, die die Wolkenbildung begünstigen. Die zunehmende globale Bewölkung blockiert die Sonneneinstrahlung und führt zu kühlerem Klima. So verzeichnete man im 17. Jahrhundert eine Klimaanomalie, die als kleine Eiszeit in die Geschichte einging. Zu dieser Zeit war sogar die Nordsee teilweise vereist. Interessanterweise wies die Sonnenoberfläche zu dieser Zeit kaum Sonnenflecken auf. Heute wird die fleckenlose Zeit als Maunderminimum in den Astronomiebüchern beschrieben.

Das Zusammenspiel von Sonnenaktivität und dem Wetter ist statistisch nachweisbar, folgt aber nicht der einfachen Logik, dass hohe Sonnenaktivität schönes Wetter bedeutet. Für uns Mitteleuropäer kann man folgende Beobachtungen statistisch nachvollziehen. In den ersten Jahren nach dem Sonnenfleckenminimum treten nasse Sommer ein. Danach folgen einige Jahre mit eher trockenen Sommern. Während des Maximums kippt das Klima tendenziell zu nasseren Sommern. Mit der Abnahme der Sonnenaktivität bis zum Erreichen des Minimums herrschen statistisch wieder trockene Sommer vor. Der Einfluss der Sonnenaktivität zeigt sich prägnant in der Statistik und lässt einen deutlichen Zusammenhang erkennen.

Nicht ganz unumstritten ist die Mitwirkung kosmischer Strahlung bei der Blitzaktivität bei Gewittern. Wetterforscher wollen einen Zusammenhang von Blitzentstehung und kosmischer Strahlung nachgewiesen haben. Ihrer Theorie zu Folge brauchen Blitze eine Art Initialzündung, um sich in einem Blitzkanal zu entladen. Der genaue Mechanismus war bisher nicht ganz geklärt. Kosmisch geladene Teilchen eignen sich entsprechend gut, um Blitze den Weg zu zeigen. Aber wie gesagt, diese Entdeckung ist noch umstritten. Die Untersuchung des Phänomens ist ja auch nicht leicht, da Blitze und kosmische Teilchen ja mehr oder weniger zufällig in Erscheinung treten.

Eine weitere Erscheinung, die wir dem Sonnenwind verdanken, sind die Schweife der Kometen. Nachdem sich die Kometen in der Nähe der Sonne mit einer Gashülle umgeben haben, pustet der Sonnenwind die Kometenteilchen weg. Der Schweif des Kometen, bestehend aus Staub und Gas, ist deswegen immer von der Sonne weggerichtet. Dieses Phänomen ist den Astronomen schon lange bekannt. Der Gasschweif oder auch Ionenschweif, der aus geladenen Teilchen besteht, tritt in Wechselwirkung mit dem interplanetaren Magnetfeld. Die oft faserige Struktur des Ionenschweifs zeichnet die Magnetfeldlinien des interplanetaren Magnetfelds ab, dass durch die Sonne erzeugt wird. Der Staub der Kometen kommt ebenfalls nicht ungeschoren davon. Wie wirkt der Sonnenwind auf kleinere Objekte wie Staub? Der Poynting-Robertson-Effekt beschreibt die Wirkung des solaren Windes auf den interplanetaren Staub. Der Staub umläuft die Sonne wie auch die Planeten auf Keplerbahnen. Der permanente Seitenwind bremst den Staub ab und zwingt ihn auf niedrigere Umlaufbahnen. So nimmt die Bahn des Staubes eine Spiralform an, die ihn in die Sonnennähe trägt. Dort wird er dann verdampfen. Die Teilchen benötigen einige hunderttausend Jahre um von der Erdumlaufbahn zur Sonne zu gelangen. So kann man sagen, dass der ganze kosmische Staub, der als Sternschnuppen in die Atmosphäre der Erde eindringt oder der als Zodiakallicht an dunklen Orten sichtbar ist, permanent aufgefrischt wird. Als Quellen für den Nachschub kommen in erster Linie Kometen in Frage.

Aber auch Staubkörner aus dem interstellaren Raum können ins Sonnensystem eindringen. Der kosmische Staubtransport erinnert ein wenig an irdische Verhältnisse, wenn Saharastaub unsere Autos bedeckt. Den Forschern bietet er aber die Möglichkeit, einiges über die Entstehung des Sonnensystems zu erfahren. In den letzten Jahren gab es einige Missionen, um den kosmischen Staub einzusammeln.

Was auch immer bei der Untersuchung in Zukunft an Erkenntnissen gewonnen wird, eines kann einem jetzt schon bewusst werden: Das Sonnensystem ist ein sehr komplexes Gebilde und wir können behaupten in der Atmosphäre eines mächtigen Sterns zu leben, der nicht nur Wärme und Licht spendet.

Clear Skies,
Christian Overhaus