Kleiner als Sonnenstürme, allerdings für unsere Stromnetze ähnlich gefährlich: bisher unbekannte Tornados aus Plasma und Magnetfeldern

Unsere Sonne ist Urheber gewaltiger Ausbrüche. Dabei können selbst Nachwirkungen das Weltall lange nach dem Energiegewitter in Aufruhr versetzen. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Prognostizieren uns Wettervorhersagen Stürme, ziehen wir vorsorglich den Kopf ein. Simulationen lassen die Luftmassen der irdischen Atmosphäre Tage im Voraus tanzen. Im All ist es ähnlich, aber dort gestaltet sich alles weit komplizierter. Dabei droht uns von dort eine Gefahr, die das Potenzial in sich trägt, unsere Zivilisation schwer zu schädigen: Weltraumwetter.

Einige Facetten können wir rechtzeitig beobachten oder ausreichend genau vorab simulieren, um uns zu wappnen. Doch eines rutscht uns durchs Raster, wie Simulationen zeigen: »Sonnentornados«. Die plasmatischen Magnetfeld-Wirbel sind bisher kaum verstanden – aber brandgefährlich.

Durch neuartige Simulationen kommen wir ihnen jetzt erstmals auf die Spur.

Was ist Weltraumwetter?

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Weltraumwetter ist wenigen bekannt, doch könnte es weite Teile der irdischen und vor allem orbitalen Elektronik binnen Minuten vernichten. Im Detail erfahren alle, die es nicht eilig haben, alles Wichtige dazu in diesem Artikel.

Für Eilige: Der Grund sind elektromagnetische Wechselwirkungen, die sich bei der Kollision von Plasma mit dem Erdmagnetfeld Bahn brechen. Am Ende einer jeden Überlegung zum Weltraumwetter stehen zwei zentrale Frage:

Wie erkennen wir rechtzeitig gefährliche Energie-Sturmfronten im Weltall und wie schützen wir unsere elektrisch-digitale Infrastruktur?

Denn die hübschen Nordlichter werden von zahlreichen Auswirkungen begleitet, die vor allem die für uns so wichtigen Transformatoren überhitzen können – bis hin zur völligen Zerstörung.

Das könnte monatelange Stromausfälle nach sich ziehen. Haushaltsgeräte wären allerdings vergleichsweise sicher, da sie gut abgeschirmt sind und keine langen Leiterbahnen nutzen, die besonders anfällig für geomagnetisch induzierte Ströme sind. Bei Technik, die direkt an lange Hochspannungsleitungen angeschlossen ist, sieht das aber anders aus.

Im Folgenden müsst ihr vor allem diesen Begriff kennen und seine Urgewalt grob verstehen: Sonnensturm, auch koronaler Massenauswurf (CME) genannt.

Dabei handelt es sich quasi um Ausbrüche unserer Sonne, bei denen enorme Mengen an Plasma ins All geschleudert werden. Im Kern besteht diese Wolke aus Atomen, die komplett ihrer Elektronen beraubt wurden. Der Grund: extreme Erhitzung. Im Inneren von Kernfusionsreaktoren treffen wir ähnliche Zustände an.

Im Text unten lest ihr nach, mit welcher Urgewalt solch ein Sonnensturm die Welt unserer Vorfahren überfiel:

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Die Unruhe zwischen den Stürmen

Wenn bunte Nordlichter (Auroras) in den nördlichen/südlichen Breiten über den Himmel flackern, mag das schön anzusehen sein. Doch an sich ist ihre angenehmste Eigenschaft ihre Vorhersagbarkeit. Wir sehen, wenn die Sonne uns ultraenergetische Materie entgegengeschleudert und können uns wappnen. Doch in jüngerer Vergangenheit erschütterte ein bisher unbekanntes Phänomen diese augenscheinliche Selbstversicherung.

Forscher entdeckten geomagnetische Stürme, wenn eigentlich keine Sonneneruption die Erde traf. Aber ihr Auftreten entsprach den erwartbaren Mustern und bringt somit auch die gleichen potenziellen Risiken mit sich. Was sind das für unsichtbare Energiefelder?

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Aufwendige Simulationen enttarnten nun eine neuartige, wenn auch irgendwie altbekannte Gefahr. Vergleichsweise schmale, rotierende Arme, quasi Tornados aus sich verdrehenden Magnetfeldlinien. Sie heißen in der Fachsprache Flux Ropes und sind für unsere aktuellen elektronischen Augen unsichtbar. Das birgt enorme Gefahr, denn die Sonnentornados verfügen ähnlich wie andere Facetten des Weltraumwetters über das Potenzial, unsere Technik-Infrastruktur zu beschädigen.

Der Unterschied zwischen allem, was wir bisher über das Weltraumwetter wissen, und diesen neuen Gebilden ist ihr Geburtsort: Sie entstehen zwischen Erde und Sonne als Folge einer Kollision zweier bekannter Phänomene: des alltäglichen Sonnenwindes mit den CMEs (via iopscience).

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Wenn extrem schnelle koronale Massenauswürfe (CME) – oft mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert bis über zweitausend Kilometern pro Sekunde – in den vor ihnen liegenden, deutlich langsameren Sonnenwind kracht, verformen sich die Magnetfeldlinien massiv.

Durch Kompression und magnetische Verbindung verschränken und verdrehen sie sich ineinander, wodurch sich stabile, tornadoähnliche Gebilde aus Plasma formen. Diese energiegeladenen Wirbelstrukturen können unbemerkt bis hinein in die Erdbahn treiben.

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Ihre Entdecker vergleichen die Dynamik im All mit einem lang anhaltenden Hurrikan auf Erden, der fortlaufend Tornados in Bodennähe aufwirbelt. Nur mit einem entscheidenden Unterschied:

Die magnetischen Flux Robes haben ihren irdischen Äquivalenten aus Wind etliches an energetischer Intensität sowie oft auch an Standhaftigkeit voraus. Ihre Heimtücke rührt aber letztlich aus ihrer geringeren Größe her, denn sie ziehen an bisherigen Messinstrumenten oft unbemerkt vorbei.

Der Versuch, mit herkömmlichen Beobachtungen des Weltraumwetters diese Sonnentornados zu finden, gleicht dem Ansatz, Tornados auf Erden mithilfe eines Blicks rein auf globale Wettermuster exakt zu verorten – ein unmögliches Unterfangen. Es brauchte etwas Neues.

Neuartige Simulationen als Schlüssel zum Erfolg

Im Weltraum rutschen uns Phänomene wie diese rotierenden Magnetwirbel schlicht durchs Raster. Sie sind zu klein, als dass bisherige Beobachtungen und Simulationen sie uns aufzeigen konnten.

Als Methode nutzen die Autoren der Studie derzeit hochauflösende Simulationen. Wobei »hoch« relativ zu verstehen ist, denn wir müssen uns dabei die extremen Distanzen im All vor Augen halten. Engmaschig heißt in dem Fall, einen Raster zu nutzen, das im kleinsten Fall 10.000 bis höchstens 100.000 Kilometer misst.

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CMEs kommen auf Millionen Kilometer Durchmesser, der alltägliche Sonnenwind ist allgegenwärtig, nur seine Dichte schwankt. Die Sonnentornados hingegen sind meistens deutlich kleiner.

Um hierbei nicht sämtliche zur Verfügung stehende Hardware zu schmelzen, griffen die Forscher auf eine alternative Berechnungsmethode zurück: Sie behandelten alles, was von der Sonne kommt, als Flüssigkeit, anstatt als Partikel.

Der Vorteil: Der Computer rechnet mit aneinanderhaftenden Flüssigkeiten deutlich effizienter als mit wolkenartigen Gebilden aus losen Tröpfchen. Die Forscher vergleichen es vom Aufwand her damit, wie wenn man ausschließlich die Temperatur einer Flasche Wasser misst, anstatt jedes Teilchen H₂0 zu verfolgen.

Das reichte aber noch nicht, denn es besteht weiterhin die Gefahr, die Tornados zu übersehen. Deshalb erhöhten sie in ausgewählten Zylindern (also Räumen) zwischen Erde und Sonne die Auflösung. Wo genau, ergaben zuvor angestellte Berechnungen. Dort, wo der Computer verdachtsweise anschlug, schauten sie genauer hin und voilà: Die Sonnentornados leuchteten in all ihrer verwickelten Pracht auf.

Alles in allem erreichten sie so eine 100-fache Genauigkeit im Vergleich zu früheren Modellen.

Es braucht mehr Daten

Nun haben wir mit den Simulationen ein Werkzeug an der Hand, um die Sonnentornados zu finden. Doch damit Simulationen überhaupt anlaufen können, brauchen wir viel mehr Daten. Letztere können wir nur durch extrem spezialisierte Satelliten gewinnen.

Im Moment sehen wir zwar etwas und können die Rechenhirne damit füttern, aber unser Bild ist lückenhaft. Darunter leidet auch der neue Ansatz mit den Simulationen, da er an Genauigkeit einbüßt.

Nur zum Vergleich: Auf der Erde besitzen wir zehntausende von Sensorwerten, die uns global verteilt den Zustand von Luft- und Wassermassen zeigen. Hiermit können wir loslegen und rechnen, doch im All besitzen wir nur einen Bruchteil dieser Daten.

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Um die Maschen unseres Sensornetzes zu schrumpfen, braucht es neue Hardware. Eine Idee: SWIFT – die Abkürzung für Space Weather Investigation Frontier. Dabei handelt es sich, vereinfacht gesagt, um ein pyramidenförmiges System, bestehend aus vier Satelliten.

Sein Zweck: Schneller und früher, mehr Daten zur Lage zwischen Erde und Sonne gewinnen. Damit lassen sich dann Simulationen und im nächsten Schritt die Vorhersagen verfeinern.

Letztendlich müssen wir uns aber einer Tatsache stellen: Gleichwohl wie gut Vorwarnnetz und Simulationskapazitäten ausfallen, sie stellen niemals seinen absoluten Schutz vor den Gefahren dar, die die Sonne im Sonnensystem loszubrechen vermag.