Solar-terrestrische DLR-Forschung für Gesellschaft und Wirtschaft

Weltraumwetter

Koronaler Massenauswurf im Juni 2013, einem Jahr erhöhter Sonnenaktivität
Am 20. Juni 2013 kam es auf der Sonne zu einem auf die Erde gerichteten koronalen Massenauswurf, der Milliarden Tonnen Partikel mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit von etwa 2.170 Kilometer pro Sekunde in den Weltraum schleuderte.
Bild: 1/3, Credit:
NASA/Goddard/SDO

Solares Minimum und Maximum im Vergleich
Bilder im Spektrum des sichtbaren Lichts vom Solar Dynamics Observatory der NASA (SDO). Sie zeigen das Aussehen der Sonne bei Sonnenminimum (links, Dezember 2019) im Vergleich zu einem Sonnenmaximum (rechts, August 2024). Während des Sonnenminimums ist die Sonne oft fleckenlos. Sonnenflecken stehen mit Sonnenaktivität in Zusammenhang und werden verwendet, um den Fortschritt des Sonnenzyklus zu verfolgen.
Bild: 2/3, Credit:
NASA/SDO

Weltraumwetter-Forschung
Zukünftige Missionen untersuchen den Einfluss der Ionosphäre auf die Erde.
Bild: 3/3, Credit:
ESA/A. Baker
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Der meteorologische Wetterbericht ist für die meisten Menschen eine tägliche Routine, egal ob morgens mit einem schnellen Check der Wetter-App auf dem Smartphone oder zum Ende des Tages im Anschluss an die Abendnachrichten. Von Weltraumwetter, Sonnenwind und -sturm hört man hingegen eher in Science-Fiction-Filmen. Bei einem Maximum an Sonnenaktivität wie im Herbst 2024, als Polarlichter sogar über weiten Teilen von Deutschland zu sehen waren, begegnet einem das Thema Weltraumwetter aber auch im Alltag. Denn das Weltraumwetter kann sich ebenso wie das „normale“ Wetter, also die Witterungsverhältnisse innerhalb der Erdatmosphäre, massive Folgen haben.

Auch für 2025 wird eine erhöhte Sonnenaktivität prognostiziert. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) forscht intensiv zu den Wechselwirkungen zwischen Sonne und erdnahmen Weltraum, analysiert Phänomene des Weltraumwetters und untersucht, welche Konsequenzen sich für Mensch, Technik und Infrastruktur ergeben und wie sich die Folgen des Weltraumwetters reduzieren lassen.

Von der Sonne bis zur Erde

Bereits der bekannte deutsche Mathematiker Carl Friedrich Gauß vermutete 1838 in seiner „Allgemeinen Theorie des Erdmagnetismus“, dass elektrische Ströme in der Atmosphäre die Ausrichtung einer metallischen Kompassnadel beeinflussen. Dies ist die vielleicht älteste Auswirkung des Weltraumwetters auf menschengemachte Technik.

Nahaufnahme eines solaren Massenauswurfs
Diese Nahaufnahme der Sonne vom 13. August 2018 zeigt einen Ausbruch geladener Teilchen, die aufsteigen und sich drehen, bevor sie wieder in die Sonne fallen. Im extremen Ultraviolett-Bereich des Lichts aufgenommen, sind derartige Ereignisse schwer zu erkennen, außer wenn sie am Rand der Sonne stattfinden. Auf seinem Höhepunkt erreicht die Plasmaschleife mehrere Erddurchmesser.
Credit:
Solar Dynamics Observatory, NASA

Heute sind die elektrischen Ströme im erdnahen Weltraum und ihr Einfluss auf die Stromnetze ein Schwerpunkt der Weltraumwetterforschung. Und auch wenn kaum noch nach Kompassnadel navigiert wird, ist selbst das modernste Satellitennavigationssystem eine gegenüber den Auswirkungen des Weltraumwetters anfällige Technologie.

Der Ursprung des Weltraumwetters liegt 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt auf der Sonne. Und genauso wie der Verlauf der Jahreszeiten von gelegentlichen Unwettern unterbrochen wird, kennt auch die Sonne Schwankungen ihrer Aktivität. Es kommt zur Sonneneruption, bei der Plasma in den Weltraum geschleudert wird. Erreicht das Sonnenplasma das Erdmagnetfeld, wirkt es sich in kürzester Zeit „wetterartig“ auf den elektromagnetischen Schutzschild der Erde aus.

Von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung: Weltraumwetterforschung am DLR

Das umfangreiche Spektrum der am Weltraumwetter beteiligten Vorgänge wird am DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik in Neustrelitz in Mecklenburg-Vorpommern erforscht. Hier wird der Bogen gespannt von der Grundlagenforschung an den physikalischen Prozessen bis hin zu den anwendungsorientierten Konzepten zur Reduzierung der Auswirkungen auf anfällige Technologien. Das Ziel: durch zeitnahe, genaue und zuverlässige Beobachtungen und Vorhersagen die nationalen Infrastrukturen zu schützen und betroffene Industrien zu unterstützen.

Die Arbeit des Instituts gliedert sich in die Erforschung der solar-terrestrischen Kopplungsprozesse, den Ausbau der Weltraumwetterbeobachtung und der Untersuchung des Weltraumwettereinflusses. Das langfristige Ziel der Forschung ist die Entwicklung von zuverlässigen Weltraumwettervorhersagen als Basis für Maßnahmen zur Vermeidung beziehungsweise Begrenzung von Schäden an irdischen Infrastrukturen.

Das Institut für Solar-Terrestrische Physik des DLR betreibt auch das Ionosphere Monitoring and Prediction Center (IMPC), das dabei hilft, die Gefahren des Weltraumwetters einzuschätzen. In Zukunft sollen Weltraumwetterberichte ein gängiges Mittel werden, um die Zuverlässigkeit der Satellitennavigationssysteme GPS und Galileo zu überprüfen.

Dieses Thema im Fokus erklärt zunächst die Ursachen und Auswirkungen des Weltraumwetters – sowohl die „hübschen“ Effekte wie Polarlichter als auch solche, die für Infrastruktur, Technik und den Menschen gefährlich sein können. Anschließend wird die Weltraumwetterforschung des DLR vorgestellt. Sie ist ein wichtiger Baustein im Schutz von Wirtschaft und Gesellschaft vor den Auswirkungen erhöhter Sonnenaktivität auf die Erde.

Hintergrundartikel

Was passiert auf der Sonne?

Angetrieben von der Kernfusion im Inneren hat die Oberfläche der Sonne eine Temperatur von etwa 5.500 Grad Celsius. Wie alle Objekte sendet die Sonne Wärmestrahlung aus. So „strahlt“ der Mensch im für das Auge nicht sichtbaren, langwelligen Infrarotbereich. Dies kann zum Beispiel mit Infrarotkameras sichtbar gemacht werden kann. Mit zunehmender Temperatur wird die Wärmestrahlung kurzwelliger und verschiebt sich im Spektrum von Infrarot zu sichtbarem Licht.

Das Magnetfeld der Erde

Von Weltraumwetter spricht man, wenn die Sonnenaktivität – vor allem Sonnenstürme – in den erdnahen Weltraum eintreten. Dort treten von der Sonne ausgehende Teilchen und Strahlung in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld und der Atmosphäre der Erde. Durch diese sogenannten solar-terrestrischen Kopplungsprozesse ist der erdnahe Weltraum sehr chaotisch. So erklärt sich die Analogie zum meteorologischen Wetter auf der Erde.

Polarlichter – die Besonderheit der Polregionen

Den Polarregionen kommt aufgrund der Form des Erdmagnetfelds eine besondere Rolle zu: Die Teilchen des Sonnenwinds werden zwischen den Polen entlang der parallel zur Erdoberfläche verlaufenden Magnetfeldlinien abgelenkt. Erst in hohen Breitengraden treffen sie auf die Erdatmosphäre. Diese wird durch die einfallenden Teilchen angeregt und in sogenannte metastabile Zustände versetzt.

Auswirkungen auf Mensch, Technik und Infrastruktur

Weltraumwetter kann gefährlich für den Menschen und die hochtechnisierte Gesellschaft sein. Extremereignisse können auch Weltrauminfrastruktur lahmlegen, zum Beispiel satellitengestützte Kommunikation und Navigation. Selbst auf den Menschen selbst kann sich das Weltraumwetter negativ auswirken, etwa bei astronautischen Missionen.

Der Sonnenzyklus

Sonnenflecken entstehen durch Magnetfeldschleifen, welche die Sonnenoberfläche durchstoßen. Das daraus resultierende Weltraumwetter folgt Mustern – man spricht von Sonnenzyklen. Wie sich die Veränderung der Strahlungsleistung während eines Zyklus auf die untere Erdatmosphäre auswirkt, ist ein Schwerpunkt der Weltraumwetter-Forschung.

Weltraumwetterbericht

Das Weltraumwetter folgt ähnlichen Prinzipien wie das meteorologische Wetter. Computermodelle für Systeme, die das Weltraumwetter beeinflussen, müssen miteinander verknüpft werden, um realistisch zu sein. Das IMPC gehört in diesem Zusammenhang zu den weltweit führenden Einrichtungen.

Aktivitäten und Beteiligte aus dem DLR

Das DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik in Neustrelitz kooperiert auf nationaler und internationaler Ebene mit Beteiligten aus Forschung und Industrie. Unter anderem geht es darum, Nachhaltigkeit im Erdorbit durch Erhöhung der Lebensdauer von Satelliten zu steigern. Auch bündelt das DLR Kompetenzen für konstantes Monitoring als Basis für eine optimale Lage-Erfassung im Katastrophenfall.

Weltraumwetter visualisieren

Die Weiterentwicklung der Forschung zum Weltraumwetter stellt erhebliche Herausforderungen an die Datenvisualisierung und die interaktive Erkundung komplexer Datensätze. Das Projekt SWEET beispielsweise befasst sich mit dem kritischen Bedarf an hochentwickelten Visualisierungssystemen für die Modellierung des Weltraumwetters, insbesondere für ionosphärische und plasmasphärische Daten.

Nachrichten zum Thema

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Beteiligte Institute und Einrichtungen des DLR

Institut für Solar-Terrestrische Physik

Deutsches Fernerkundungsdatenzentrum DFD

Institut für Physik der Atmosphäre

Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin

Institut für Optische Sensorsysteme

Institut für Datenwissenschaften

Institut für Kommunikation und Navigation

Galileo Kompetenzzentrum

Weiterführende Links

Ionosphere Monitoring and Prediction Center

Das vom DLR entwickelte und betriebene Ionosphere Monitoring and Prediction Center (IMPC) bietet einen nahezu in Echtzeit verfügbaren Informations- und Datendienst zum aktuellen Zustand der Ionosphäre sowie entsprechende Vorhersagen und Warnungen. Als Nachfolger des etablierten Space Weather Application Center – Ionosphere (SWACI) bietet IMPC nun deutlich verbesserte Wetterinformationen und -vorhersagen für die Ionosphäre und stellt zusätzlich das SWACI-Langzeitdatenarchiv zur Verfügung.

Global Navigation Satellite System (GNSS) Performance Monitoring

GNSS Performance Monitoring ist ein einzigartiges DLR-Tool des Galileo Kompetenzzentrums, das international verfügbare Daten von Satellitennavigationssystemen auf konsistente Weise anzeigt und analysiert. Zur Visualisierung und Berechnung von Leistungsparametern werden sowohl Echtzeitdaten als auch langfristig archivierte Daten verwendet. Im Bereich der Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Satellitennavigation stellt die Website zum Beispiel die Entfernungsverzögerung von GNSS-Daten auf Karten dar.

SpaceWeatherLive

Die Website bietet aktuelle Informationen zur Sonnenaktivität und Weltraumwetterbedingungen. Die Website zeigt Echtzeit-Daten zu Sonnenflecken, geomagnetischen Stürmen und Polarlichtern sowie Prognosen und Diagramme basierend auf Satellitenmessungen.

Space Weather Prediction Center (engl.)

Das Space Weather Prediction Center der NOAA überwacht das Weltraumwetter und erstellt Prognosen zu Sonnenaktivität, geomagnetischen Stürmen und deren möglichen Auswirkungen auf Technologie und Infrastruktur.

ESA-Sonderseite

Weltraumwetter: Die zerstörerische Kraft der Sonne

Grün und violett schimmern die Lichter wie bunte Zuckerwatte am tiefblauen Nachthimmel über Nordnorwegen. Aurora borealis, Polarlichter oder Nordlichter werden die Lichterscheinungen genannt, von denen all jene schwärmen, die sie mal erblickt haben. Das Naturphänomen, das der Tourismusbranche und Polarreisenden Glücksmomente beschert, bereitet Wissenschaftlern und Raumfahrtexperten dagegen eher Unbehagen. Deutet es doch auf erhöhte Sonnenaktivitäten und Sonneneruptionen hin.

NASA-Webspecial (engl.)

Solar Dynamics Observatory (SDO)

Die NASA-Mission SDO untersucht die Sonnenaktivität und deren Einfluss auf das Weltraumwetter. Durch die Beobachtung der Sonnenatmosphäre in hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung trägt das SDO dazu bei, die Entstehung von Phänomenen wie Sonnenwinden, solaren Flares und koronalen Massenauswürfen besser zu verstehen. Dieses Wissen ist entscheidend, um die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Erde und technologische Systeme präziser vorherzusagen beziehungsweise zu mindern.

Kontakt

Philipp Burtscheidt

Presseredaktion

Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Kommunikation

Linder Höhe, 51147 Köln

Tel: +49 2203 601-2323

Michael Müller

Redakteur