Unter dem Begriff Weltraumwetter werden hauptsächlich folgende veränderliche Umweltbedingungen des Weltraums zusammengefasst:

• Sonnenwind

• Magnetosphäre der Erde (u. a. Planeten)

• kosmische Strahlung

• Meteoroiden und Weltraumtrümmer

Das Weltraumwetter ist bedeutsam, da es Satelliten, Raumfahrzeuge und Astronauten beeinträchtigen und schädigen kann ebenso wie die Telekommunikation und elektrische Energieversorgung auf der Erde. Das kann von Störungen bis zu totalen Zusammenbrüchen reichen. Außerdem beeinflusst das Weltraumwetter das irdische Wetter und Klima.

Ursachen des Weltraumwetters

Abgesehen von Meteoroiden und Weltraumtrümmern hat die Sonne den größten Einfluss auf das Weltraumwetter. Ihr Sonnenwind stammt aus der äußeren Sonnenatmosphäre, der Korona, und besteht aus Protonen, Elektronen und Heliumkernen:

• Geschwindigkeit: 300 - 800 km/s
• Dichte im Abstand der Erde von der Sonne: etwa 1 - 50 Teilchen/cm³
• Flussdichte im Abstand der Erde von der Sonne: etwa 30x10⁶ - 4x10⁹ Teilchen/(cm²s)

Die Korona ist mit über 1.000.000 °C so heiß, dass die Teilchen der Sonnenschwerkraft entkommen können. Dazu kommt gelegentlich ein plötzlicher koronarer Massenauswurf der Sonne oder ein Strahlungsausbruch (Flare).

Die Dichte des Sonnenwinds nimmt mit den Quadrat der Entfernung von der Sonne ab und erfüllt das ganze Sonnensystem. Da ein Magnetfeld auf bewegte elektrische Ladungen eine Kraft ausübt und bewegte Ladungen selbst ein Magnetfeld erzeugen, ergeben sich vielfältige Wechselwirkungen. Wenn der Sonnenwind auf das Magnetfeld eines Planeten trifft, drückt er es auf der windzugewandten Seite zusammen. Auf der windabgewandten Seite bildet sich dagegen ein Magnetfeldschweif aus. Der geomagnetische Schweif der Erde kann noch in einer Entfernung von 1000 Erdradien nachgewiesen werden. Das durch die Wechselwirkung mit dem Sonnenwind begrenzte Magnetfeld ist die so genannte Magnetosphäre.

Das Magnetfeld der Erde lenkt die Elektronen und Protonen des Sonnenwinds größtenteils um die Erde herum. Dabei bilden sich Strahlungsgürtel (van-Allen-Gürtel), in denen sich die Teilchen häufen. Die Teilchen, die entlang der Magnetfeldlinien in den höheren Breiten in die Erdatmosphäre eindringen stoßen dort mit Atomen und Molekülen zusammen, die sie in Form der Polarlichter zum Leuchten anregen.

Poster der Sonne
	Wissenswertes über die Sonne, ihre Enststehung und ihren Innenaufbau (englischsprachig) [mehr Infos bei Astroshop.biz]

Kosmische Strahlung

Die kosmische oder Höhenstrahlung wurde so benannt, da sie mit der Höhe zunimmt und aus Teilchen besteht, die aus dem Weltraum mit fast Lichtgeschwindigkeit auf die Erdatmosphäre treffen. Die Teilchen sind also bis zu 1000 Mal so schnell wie der Sonnenwind. Eine Quelle der kosmischen Strahlung sind vermutlich Supernovaexplosionen größerer Sterne am Ende ihres Entwicklungsweges. Einige der Teilchen besitzen Energien, die in irdischen Teilchenbeschleunigern nicht erreicht werden können: teilweise über 10²⁰ eV (Elektronenvolt, 1 eV =1,6x10^-19 Joule). Die Intensität der kosmischen Strahlung ist sehr gering, und bei Energien über 10¹⁵ eV werden so gro� Nachweisflächen und lange Messzeiten benötigt, dass sie nur noch indirekt durch Nachweis ihrer in der Erdatmosphäre entstehenden Reaktionsprodukte registriert werden können. Nebenprodukte von Kollisionen der kosmischen Strahlung mit Atomen der höheren Erdatmosphäre findet man auch in Form hoch energetischer Protonen (10-100 MeV) im inneren van-Allen-Gürtel. Da diese Protonen die Hülle von Raumfahrzeugen durchdringen können, sind sie bei längerer Einwirkung eine Gefahr für Astronauten und Instrumente.

Geomagnetischer Sturm. Bei einem geomagnetischen Sturm wird das Magnetfeld der Erde (rechts) stark verzerrt. Verursacht wird er häufig durch einen koronaren Massenauswurf der Sonne (links). Bei einer solchen Sonneneruption werden große Mengen Plasma in den Weltraum geschleudert. Nach zwei bis vier Tagen stößt diese Plasmawolke aus elektrisch geladenen Teilchen auf das irdische Magnetfeld. Dort werden die Teilchen abgelenkt und erhöhen den um die Erde driftenden elektrischen Ringstrom stark. Das Magnetfeld dieses Stroms kann Spannungen in elektrischen Energienetzen und Telekommunikationssystemen induzieren, sie dadurch stören und zerstören. Grafik: SOHO/LASCO/EIT (Esa & Nasa)

Solare Flares. Ein solarer Flare ist ein gigantischer Strahlungsausbruch der Sonne. Er entsteht, wenn örtlich durch Umorientierung des Magnetfelds die darin gespeicherte Energie plötzlich frei wird. Das passiert meistens im Bereich eines Sonnenflecks. In wenigen Minuten wird dort das Sonnenplasma auf mehrere Millionen°C erhitzt und dabei Elektronen, Protonen und elektromagnetische Strahlung im gesamten Spektralbereich ausgesendet. Flares beeinflussen die irdische Ionosphäre und stören den Funkverkehr. Größere Flares können zeitweise auch die Erdatmosphäre erwärmen, die sich dann in größere Höhen erstreckt und durch Luftreibung Satelliten abbremst und abstürzen lässt. Die energiereichsten Protonen der Strahlung können für Flugreisende über den Polargebieten und Astronauten gefährlich sein.

Strahlungsgürtel sind die Bereiche der Magnetosphäre eines Planeten, in denen gehäuft elektrisch geladene Teilchen, vor allem Protonen und Elektronen eingefangen sind. Die Teilchen stammen aus der Sonnenstrahlung, der kosmischen Strahlung und ihren Reaktionen mit der Erdatmosphäre. Die Erde besitzt zwei Strahlungsgürtel um den Äquator, die nicht klar begrenzt sind: innerer Strahlungsgürtel (blau): etwa 1000 - 6000 km, äußerer Strahlungsgürtel (rot) etwa 15.000 - 25.000 km über der Erdoberfläche. (Die Grafik ist stark idealisiert.) Ursache: Die Feldlinien (grün) der Erde ähneln denen eines Stabmagneten. Die Teilchen bewegen sich wendelförmig entlang dieser Feldlinien, da auf die Teilchen eine Kraft senkrecht zu ihrer momentanen Bewegungsrichtung und zum Magnetfeld wirkt. Je näher die Teilchen der Erde dabei kommen, desto stärker wird das Magnetfeld (Bildlich: Die Feldlinien liegen dichter zusammen.) Dadurch werden die Teilchen abgebremst und zurückgestoßen. Dort, wo sich die Feldlinien der Atmosphäre wieder nähern, wiederholt sich das Spiel, so dass die Teilchen hin und her pendeln. Da das Magnetfeld zur Erde hin stärker wird, driften die Teilchen außerdem langsam parallel zum Äquator um die Erde, positive und negative Teilchen in entgegengesetzte Richtungen, und bilden den so genannten Ringstrom.

Strahlungsgürtel des Jupiter. Der Riesenplanet Jupiter besitzt die größte Magnetosphäre der Planeten des Sonnensystems. Die Mikrowellenstrahlung (13,8 GHz) der hoch energetischen Elektronen in seinem Strahlungsgürtel wurden von der Raumsonde Cassini auf ihrem Weg zum Saturn vermessen. Die Abbildung zeigt die Ausdehnung des Gürtel in verschiedenen Ansichten während der 10-stündigen Planetenrotation. Die Teilchenstrahlung ist dort einige 1000 Mal so stark wie im van-Allen-Gürtel der Erde. Illustration: Nasa/Jpl

Interstellarer Wind. Aus den Messdaten der Sonnensonde Soho konnte eine bisher einzigartige Karte des interstellaren Winds aus Wasserstoffatomen erstellt werden. [vergrößern & erklären]

Zur kosmischen Strahlung siehe auch • Kosmische Radioblitze in der Atmosphäre

Vermutung eines US-Wissenschaftlers • Supernova-Explosion könnte das Aussterben der Mammuts verursacht haben

Weltraumwetter & irdisches Wetter

In den letzten Jahren wurde erkannt, dass das Weltraumwetter auch das Wetter und Klima unseres Planeten direkt und indirekt beeinflusst. Beispielsweise heizt sich die Ozonschicht bei erhöhter UV-Strahlung der Sonne auf, der Wasserstand des Nils schwankt mit dem elfjährigen Sonnenfleckenzyklus der Sonne, und erhöhte kosmische Strahlung führt zu vermehrter Bildung von Kondensationskeimen und damit zu vermehrter Wolkenbildung. Die Stärke der kosmischen Strahlung hängt davon ab, wo sich unser Planetensystem auf ihrem Weg durch die Milchstraße befindet, und von der Aktivität der Sonne: Bei stärkerer Sonnenaktivität ist auch das Magnetfeld der Sonne stärker und lenkt kosmische Strahlung von der Erde weg. Dann bilden sich weniger Wolken und es wird wärmer. Der gegenwärtige Klimawandel muss somit nicht (vollständig) selbst gemacht sein. Möglicherweise überlagern sich Weltraumwetter-Effekt und Treibhauseffekt, da zum Beispiel Pflanzen bei höheren Temperaturen mehr CO2 produzieren.

Langfristige Wetterprognosen sind noch schwierig

Qualitativ vorhersehbar ist der 11-jährige Sonnenfleckenzyklus, bei dem die periodische Zu- und Abnahme der Sonnenfleckenanzahl in Zusammenhang mit der Sonnenaktivität und dem magnetischen Zyklus der Sonne steht. Ansonsten lässt sich das Weltraumwetter im Vergleich zum irdischen Wetter bisher wesentlich ungenauer vorhersagen, insbesondere sind langfristige Prognosen kaum möglich. Damit die Vorhersagen präziser werden, muss das Magnetfeld der Sonne mit all seinen komplexen Veränderungen und Einflüssen auf Sonnenflecken, Flares und koronaren Massenauswürfen besser verstanden werden. Dabei helfen mehrere Satellitenprojekte unter anderem der Nasa und Esa, die teilweise gemeinsam durchgeführt werden. Anhand der aktuellen Messwerte können außerdem Astronauten vor gefährlichen Strahlungsanstiegen gewarnt werden. Und die Wahrscheinlichkeit von Strahlungsausbrüchen der Sonne kann zumindest kurzfristig ähnlich wie die Regenwahrscheinlichkeit im Wetterbericht angegeben werden.

Weltraumwettersatelliten

Das Solare Heliosphärische Observatorium oder kurz SOHO befindet sich seit 1995 im Lagrangepunkt L1 zwischen Erde und Sonne, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, und konnte inzwischen einen vollständigen Sonnenfleckenzyklus beobachten. Im Lagrangepunkt L1 liegt die Sonde auf der Verbindungsgeraden Sonne-Erde und kreist zusammen mit den beiden Himmelskörpern um deren gemeinsamen Schwerpunkt. Ulysses wurde 1990 ins All gebracht und umkreist die Sonne auf einer Bahn, die über die Sonnenpole führt. Sie misst praktisch dreidimensional die Strahlung und das Magnetfeld der Sonne. Cluster ist ein System aus vier baugleichen Sonden, die seit 2000 die Erde in stark elliptischen Bahnen umlaufen. Das Sondenquartet erforscht die Wechselwirkungen des Sonnenwinds mit dem Erdmagnetfeld. Der Advanced Composition Explorer (ACE) wurde 1979 gestartet und misst im Lagrangepunkt L1 den Sonnenwind. Weitere Satelliten zur Beobachtung des Weltraumwetters befinden sich in polaren und geostationären Erdumlaufbahnen.

Position der Sonnensonde SOHO im Lagrangepunkt L1. [vergrößern]

Strahlenbelastung

Auf der Erde wird die meiste Strahlung aus dem Weltraum durch die Atmosphäre stark gemildert oder ganz abgeblockt. Astronauten setzen sich dagegen im Weltraum erhöhter Strahlenbelastung aus. Sie kennen das leicht erhöhte Risiko, dadurch beispielsweise eine Linsentrübung (Katarakt) zu bekommen oder an Krebs zu erkranken. Das Risiko bleibt unter normalen Bedingungen in einem akzeptablen Rahmen, und die bemannten Missionen im Erdorbit bleiben üblicherweise unterhalb der Strahlungsgürtel.

Die Apollo-Flüge zum Mond führten dagegen durch die Strahlungsgürtel. Die Flugbahnen wurden daher etwa 30 Grad gegen die Äquatorebene geneigt, um die Strahlenbelastung möglichst klein zu halten. Und die Randbereiche der Gürtel wurden schnell durchflogen.

Wird beim Aufenthalt im Weltraum die Sonne plötzlich aktiv und verstärkt ihre Strahlung durch Flares oder koronare Massenauswürfe, werden Astronauten durch die Hüllen ihrer Raumfahrzeuge mehr oder weniger gut geschützt. Bei besonders starken Ausbrüchen kann allerdings die in kurzer Zeit aufgenommene Strahlendosis lebensgefährlich sein.

Strahlenschutz

UV-Strahlung wird bereits durch undurchsichtiges Material oder genügend getönten Kunststoff abgeblockt (siehe Sonnenbrille).

Röntgen- & Gamma-Strahlung: je nach Energie sind mehrere Zentimeter Aluminium oder sogar Blei als Abschirmung nötig. Diese Strahlung ist weniger schädlich als Protonen- oder Neutronen-Strahlung.

Alpha-Teilchen (Heliumatomkerne) können die meisten Materialien nicht durchdringen.

Protonen können durch ein cm-dickes Leichtmetall oder Kunststoffmaterial abgeblockt werden.

Elektronen dringen in die meisten Materialien nicht tief ein, in den menschlichen Körper je nach Energie einige Zentimeter ohne größeren Schaden anzurichten. Wenn sie schnell abgebremst werden, z. B. durch Metall, erzeugen sie Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung). Sie lassen sich ohne diesen unerwünschten Nebeneffekt gut abschirmen durch Material, dass viele Wasserstoffatome enthält. Daher bietet sich für die Raumfahrt hoch dichtes Polyethylen an. Damit lassen sich auch Protonen abblocken.

Damit ein Raumfahrzeug nicht unnötig massiv gebaut werden muss, kann man sich darauf beschränken, besonders gut geschützte Bereiche einzurichten, die auch bei Strahlenstürmen ausreichend schützen. Für Mond- und Mars-Basen bietet sich die Möglichkeit, sie ganz oder teilweise einzugraben.