Aurora über der nordirischen Küste.(Bildnachweis: Evan Boyce)
Der große Sonnensturm vom Mai 2024, der über weiten Teilen der Welt wunderschöne Polarlichter entfachte, schuf auch zwei neue Strahlungsgürtel, die mit einem von den Toten zurückgekehrten Satelliten beobachtet wurden.
„Das ist wirklich verblüffend“, sagte Xinlin Li, Professor am Labor für Physik der Atmosphäre und des Weltraums an der Universität von Colorado, Boulder, in einer Erklärung. „Als wir die Daten von vor und nach dem Sturm verglichen, sagte ich: ‚Wow, das ist etwas wirklich Neues‘.“
Im Mai 2024 brach auf unserer Sonne eine Reihe starker Stürme aus, die Wolken geladener Teilchen in den Weltraum schleuderten und in einem dramatischen Schauspiel von Nord- und Südlichtern gipfelten – das Ergebnis des stärksten geomagnetischen Sturms, den die Erde seit März 1989 erlebt hat.
Und der NASA-Satellit Colorado Inner Radiation Belt Experiment (CIRBE) hatte die ganze Sache verschlafen. CIRBE wurde zur Untersuchung des Van-Allen-Strahlungsgürtels der Erde entwickelt und startete im April 2023, fiel aber Mitte April 2024 wegen eines technischen Problems an Bord aus. Im Juni erwachte er wieder, und als er wieder zu sich kam, hatte sich etwas verändert: Zwei brandneue Strahlungsgürtel waren aufgetaucht!
Die Van-Allen-Strahlungsgürtel enthalten geladene Teilchen, die durch das Magnetfeld der Erde an ihrem Platz gehalten werden. Es gibt zwei permanente Gürtel, aber das Auftreten eines neuen temporären Strahlungsgürtels zwischen den beiden permanenten Gürteln nach einem Sonnensturm ist nicht ungewöhnlich – solche kurzlebigen Gürtel wurden erstmals 2013 entdeckt. Was CIRBE an diesen beiden neuen Gürteln nach dem Ereignis im Mai 2024 als ungewöhnlich empfand, war ihre Zusammensetzung und Lebensdauer.
Die temporären Gürtel, die sich nach einem Sonnensturm bilden, bestehen in der Regel aus hochenergetischen Elektronen. Einer der neuen Gürtel, die von CIRBE gefunden wurden, entspricht diesem Muster. Der andere Gürtel enthielt jedoch auch eine beträchtliche Menge an hochenergetischen Protonen (Protonen finden sich auch in den permanenten Strahlungsgürteln). Es wird vermutet, dass ihr Vorhandensein in dem neuen Gürtel auf die Intensität der Sonnenstürme vom Mai 2024 zurückzuführen ist.
Auch die temporären Strahlungsgürtel halten sich in der Regel höchstens vier Wochen, bevor sie sich auflösen, aber die von CIRBE gefundenen neuen Gürtel hatten eine viel längere Lebensdauer: Der von Elektronen dominierte Gürtel überlebte drei Monate nach dem Sonnensturm, während man annimmt, dass der von Protonen dominierte Gürtel die Erde auch jetzt noch umgibt.
„Dies sind wirklich hochenergetische Elektronen und Protonen, die ihren Weg in die innere magnetische Umgebung der Erde gefunden haben“, sagte David Sibeck vom Goddard Space Flight Center der NASA in Maryland. „Einige von ihnen könnten dort für eine sehr lange Zeit bleiben.“
Solare Stürme können zwar neue Strahlungsgürtel wie diesen erzeugen, aber sie können sie auch zerstören. Ein mäßig starker Sturm im Juni 2024 reduzierte den elektronendominierten Gürtel, und ein weiterer Sturm im August 2024 löschte ihn fast vollständig aus. Der protonenreiche Gürtel bleibt bestehen, weil er sich in einer stabileren Region befindet, in der die Protonen weniger anfällig dafür sind, aus der Umlaufbahn geschleudert zu werden.
Das Vorhandensein dieser temporären Gürtel, die hochenergetische geladene Teilchen enthalten – der Energiebereich der Elektronen lag bei 1,3 bis 5 Megaelektronenvolt (MeV), und bei den Protonen war er mit 6,8 bis 20 MeV sogar noch größer -, könnte Auswirkungen auf den Start von Raumfahrzeugen durch die Van-Allen-Gürtel haben, um die geostationäre Umlaufbahn (die in einer Höhe von 22.236 Meilen bzw. 35.785 Kilometern liegt) oder darüber hinaus zu erreichen. Die in den Gürteln enthaltenen geladenen Teilchen können die elektrischen Komponenten von Satelliten und Raumfahrzeugen beschädigen und stellen eine zusätzliche Strahlungsgefahr für Astronauten dar, sollten diese jemals zum Mond zurückkehren oder sich auf den Mars begeben. Um die größtmögliche Sicherheit beim Start zu gewährleisten, müssen künftige Missionen, insbesondere solche mit einer Besatzung, möglicherweise ihre Startpläne ändern oder nach Sonnenstürmen zusätzliche Abschirmungen mitführen.
Der Sonnensturm vom Mai 2024 erzeugte zwei zusätzliche Strahlungsgürtel, die zwischen den beiden permanenten Van-Allen-Gürteln liegen. Einer der neuen Gürtel (lila dargestellt) enthielt eine Population von Protonen, was ihm eine einzigartige Zusammensetzung verlieh, die zuvor noch nie gesehen worden war. (Bildnachweis: NASA/Goddard Space Flight Center/Kristen Perrin)
Allerdings haben frühere Messungen Diskrepanzen zwischen den Beobachtungen des Sonnenalters und den theoretischen Modellen ergeben – und nun hat ein Team unter der Leitung von Bétrisey gezeigt, dass wahrscheinlich die eigene magnetische Aktivität der Sonne der Grund dafür ist. Das ist überraschend, denn bisher war man davon ausgegangen, dass die magnetische Aktivität keinen Einfluss haben sollte.
Bétriseys Team wertete die Daten von 26,5 Jahren aus zwei Sonnenbeobachtungsprogrammen aus. Das eine war BISON, das Birmingham Solar Oscillations Network, eine Sammlung von bodengestützten Sonnenobservatorien, die von Wissenschaftlern der Universität Birmingham in Großbritannien betreut werden. Das andere war GOLF, das Global Oscillations at Low Frequency Instrument auf der gemeinsamen NASA-ESA SOHO (Solar and Heliospheric Observatory) Mission, die 1995 gestartet wurde.
Unsere Sonne durchläuft einen 11-jährigen Zyklus magnetischer Aktivität, der vom solaren Minimum, in dem kaum Sonnenflecken sichtbar sind, bis zum solaren Maximum reicht, in dem Sonnenflecken, Protuberanzen, koronale Massenauswürfe und Flares in Hülle und Fülle auftreten.
Die BISON- und GOLF-Daten zeigten beide einen Unterschied von 6,5 % bei der Messung des Sonnenalters mittels Helioseismologie beim Sonnenminimum im Vergleich zum Sonnenmaximum. Darüber hinaus zeigten sowohl BISON als auch GOLF, dass von den beiden Sonnenzyklen, die von den 26,5-jährigen Beobachtungen erfasst wurden, der Zyklus mit der stärkeren magnetischen Aktivität einen größeren Einfluss auf die Diskrepanz bei der Altersmessung hatte.
Da die Sonne im Großen und Ganzen kein sehr aktiver Stern ist, deuten die Ergebnisse von BISON und GOLF darauf hin, dass „der Einfluss der magnetischen Aktivität bei aktiveren Sternen wie denen, die PLATO aufspüren wird, sehr bedeutend sein könnte“, so Bétrisey.
Was CIRBE betrifft, so war das Schicksal nur ironisch. Während die Auswirkungen des Sonnensturms vom Mai 2024 dem Würfelsat eine letzte Chance auf Ruhm gaben, bedeutete er auch sein Ende. Der Sturm leitete eine beträchtliche Energiemenge in die obere Erdatmosphäre ein, wodurch sich die Thermosphäre aufblähte und der atmosphärische Luftwiderstand für den Satelliten zunahm. Dadurch verlangsamte sich die Umlaufbahn des Satelliten und er sank auf immer niedrigere Höhen ab. Schließlich schied er aus der Umlaufbahn aus und verglühte im Oktober.
Die Entdeckung der beiden neuen Strahlungsgürtel wurde am 6. Februar im Journal of Geophysical Research veröffentlicht: Space Physics.
