Der schwächelnde Schutzschild

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Noch ist das Erdmagnetfeld stark genug, um uns vor dem Ungemach des Weltraumwetters zu schützen. Aber wie lange noch? In jahrzehntelanger Arbeit aufgenommene Messreihen zeigen: Der Schutzschild verliert kontinuierlich an Kraft. Um herauszufinden, was da los ist, begeben sich Forscher in die brandenburgische Provinz.

Niemegk bei Potsdam, im Juli. Die Sonne verbreitet angenehme Wärme, nichts lässt erahnen, dass sie hoch über uns eine Schlacht gegen die Erde führt. Auf einem Feld außerhalb der brandenburgischen Kleinstadt zirpen die Grillen, der Raps wartet auf die Ernte, am Straßenrand reifen Pflaumen und Holunderbeeren. Aus der Ferne klingt das Rauschen der A9. In einem lichten Kiefernwald bröckelt ein Gebäudekomplex vor sich hin, der stark nach DDR-Feriensiedlung aussieht. Tatsächlich wird hier der lebenswichtige Planetenschutzschild erforscht, der die Erde vor kosmischem Ungemach schützt: Sonnenstürmen und anderem Beschuss aus den Tiefen des Alls.

Seit 85 Jahren vermessen Wissenschaftler hier das Erdmagnetfeld, das Adolf-Schmidt-Observatorium ist Deutschlands erste Adresse in dieser Disziplin. Ein führendes Forschungszentrum stellt man sich wohl spektakulärer vor. Mehr Hightech. Aber hier finden die Messungen in zwei unscheinbaren Holzbauten statt.

Umso bedeutsamer sind die Daten, die aus diesen Baracken geliefert werden, weltweit wird in kaum einer Station so präzise gemessen. Und die Ergebnisse aus Niemegk und den rund 200 anderen Magnetfeld-Observatorien weltweit bestätigen: Die erste Verteidigungslinie unseres Planeten verliert an Kraft, seit Beginn der Magnetfeldmessungen vor rund 170 Jahren bis heute ungefähr zehn Prozent. Am dramatischsten ist die Lage in einer Region, die sich von Südamerika über den Atlantik bis nach Südafrika erstreckt und deren wissenschaftliche Bezeichnung fast so klingt wie eine Krankheit: südatlantische Anomalie. Dort ist das Erdmagnetfeld nicht nur besonders schwach, es baut auch schneller ab als im globalen Mittel. Und das betroffene Areal wächst.

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Monika Korte
Einen weiteren Grund zur Sorge liefern den Wissenschaftlern die Magnetpole der Erde. Denn die sind wanderfreudig und liegen längst nicht mehr dort, wo sie jedes Kind auf dem Globus zeigen würde: ganz oben und ganz unten, am geografischen Nord- und Südpol. Tatsächlich zeigt der Kompass heute auf einen Punkt etwa in der Mitte zwischen Kanada und Russland: Der magnetische Pol in der Arktis verschiebt sich Jahr für Jahr um etwa 40 Kilometer und wandert allmählich in Richtung Sibirien. Im Süden wiederum liegt der Magnetpol noch nicht einmal innerhalb des Polarkreises, sondern unter dem Ozean nahe der antarktischen Küste, auf der australischen Seite. Schiffe, die noch mit dem Magnetkompass navigieren, müssen diese Abweichung berücksichtigen.

Möglicherweise beginnt die Erde gerade, sich komplett umzupolen, sagt Monika Korte. Mehr als zehn Jahre lang hat die Geophysikerin das Observatorium in Niemegk geführt, das zum Deutschen Geoforschungszentrum (GFZ) in Potsdam gehört. Heute leitet sie die GFZ-Arbeitsgruppe „Langzeitvariationen des Erdmagnetfelds“. Durchschnittlich alle 500.000 Jahre tauschten die magnetischen Pole auf der Erde ihre Plätze, erklärt die Wissenschaftlerin. Und die letzte Umpolung sei rund 780.000 Jahre her – demnach wären wir überfällig.

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Daten der Satelliten-Mission Swarm zeigen das Erdmagnetfeld und den besonders schwachen Bereich der südatlantischen Anomalie (blau).

Was passiert gerade mit unseren Polen und unserem kosmischen Schutzschild? Um das herauszufinden, fahren die Wissenschaftler des Deutschen Geoforschungszentrums in Potsdam in die brandenburgische Provinz, wo nichts ihre Messungen beeinträchtigt. „Um einwandfreie Daten zu bekommen, müssen jegliche verfälschenden Störfelder ausgeschlossen sein“ sagt Korte. Berlin mit seiner elektrischen S-Bahn ist 70 Kilometer entfernt. Autos dürfen sich den Gebäuden nur bis auf 100 Meter nähen. Die beiden Messgebäude sind aus Holz gebaut, jeder Türbeschlag, jeder Nagel musste vor dem Bau auf seine magnetische Unbedenklichkeit getestet werden.

Variationshaus und Absoluthaus heißen die beiden Spezialgebäude. In das Variationshaus, wo ununterbrochen bei einer konstanten Temperatur von 17,5 Grad gemessen wird, gehen die Mitarbeiter des Observatoriums nur dann, wenn es unbedingt notwendig ist. „Es ist fast wie bei der Sicherheitskontrolle am Flughafen, wo die kleinsten Metallteile einen Alarm auslösen. Wenn man da mit einem Schlüsselbund oder einer Gürtelschnalle aus Metall reingeht, dann sehen wir das sofort in den Messungen“, sagt Korte. Schon die Körpertemperatur des Eindringlings würde die Ergebnisse deutlich sichtbar verfälschen.

In der zweiten Holzhütte, dem Absoluthaus, wird nur einmal pro Woche das Magnetfeld gemessen. Und zwar bis heute von Hand mit dem Theodolit, einem Instrument, das ein bisschen so aussieht wie die Geräte, mit denen Landvermesser auf Straßen und Baugrundstücken unterwegs sind. Nur dass dieses Gerät nicht auf einem Klappstativ steht, sondern auf einem achteckigen, rund einen Meter hohen Marmorpfeiler, der auf einer schweren Fundamentplatte ruht.

Vor der Messung muss Korte die Fenster öffnen, die zum Städtchen Niemegk hinausgehen. Mit einem kleinen, schwenkbaren Fernrohr peilt sie dort nacheinander zwei markante und weithin sichtbare Gebäude an, den Wasserturm und den Turm der neugotischen Stadtkirche. Für beide sind die Geodaten millimetergenau bekannt, so wie die des Theodolits. So bestimmt Korte, wo sich der geografische Norden befindet. Dann dreht sie auf dem Fernrohr den Magnetfeldsensor, eine Art hochsensiblen Kompass. So lange, bis er senkrecht zu den Magnetfeldlinien steht, die hier verlaufen. Aus dem Winkel zwischen geografischem Norden und Sensor ermittelt sie die genaue Richtung des Magnetfelds in Niemegk.

Diese Daten gleichen Korte und ihre Kollegen mit den Messreihen aus dem Variationshaus ab, um Fehler herauszurechnen. Denn die Messinstrumente stehen im Variationshaus zwar gut geschützt, aber Temperaturschwankungen oder ein schwankender Grundwasserspiegel können die Ergebnisse leicht verfälschen.

Im Zeitalter der Erdbeobachtungssatelliten klingt das schwer veraltet – aber Satelliten können immer nur den kleinen Ausschnitt unter ihnen messen. Erst mit den Daten der rund 200 Boden-Messstationen weltweit entsteht ein präzises Bild vom Zustand des Erdmagnetfelds, das uns vor dem kosmischen Beschuss schützt.

Vereinfacht gesagt verhält es sich so: Wo das Erdmagnetfeld stark ist, lenkt es den Teilchenstrom um, der permanent aus der Sonne und aus den Tiefen des Weltalls in Richtung Erde zieht. „Geladene Teilchen fliegen parallel zu den Magnetfeldlinien und werden um die Erde herumgelenkt“, sagt Korte. Eine Ausnahme bilden die Polregionen – hier treten die Magnetfeldlinien nahezu senkrecht aus der Erde heraus, und am anderen magnetischen Pol führen sie wieder in die Erde hinein. Hier können die Teilchen an den Magnetfeldlinien entlang in die Atmosphäre eindringen. Dort treffen sie auf Sauerstoff und Stickstoff und regen diese ähnlich wie in einer Leuchtstoffröhre zum Glühen an: Polarlichter.

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Doch immer wieder schleudert die Sonne in gewaltigen Eruptionen deutlich mehr geladene Teilchen als normal ins Weltall. Trifft eine solche massive Teilchenfront die Erde, entsteht ein geomagnetischer Sturm: schlechtes Weltraumwetter. Dann werden Elektronen aus dem erdnahen Weltraum enorm beschleunigt und erzeugen starke elektrische Felder am Erdboden.

Vor allem für Elektrizitäts- und Kommunikationsnetze kann das gefährlich werden. 1989 legte ein geomagnetischer Sturm in der kanadischen Provinz Quebec über neun Stunden die komplette Stromversorgung lahm. Diverse Satelliten waren für mehrere Stunden außer Kontrolle. Der heftigste bekannte geomagnetische Sturm ging 1859 als das Carrington-Event in die Geschichte ein. Damals waren die Schäden begrenzt, da es noch keine Stromnetze gab, wie wir sie heute kennen. Hart traf es aber das Telegrafennetz, das Rückgrat der Kommunikation: Masten sprühten Funken, Stationen gerieten in Brand, die Mitarbeiter an den Geräten erlitten Stromschläge. Auf knapp 1 Mrd. Euro schätzt die Versicherungsgesellschaft Münchener Rück den wirtschaftlichen Schaden des kanadischen Blackouts von 1989. In unserer hoch vernetzten Welt mit ihrem Gürtel aus Kommunikationssatelliten würde ein geomagnetischer Sturm der Carrington-Klasse das 2000-Fache kosten. Zu diesem Ergebnis kommt zumindest eine Studie der Nasa aus dem Jahr 2009.

Und die meisten Experten sind sich einig, dass wir vermehrt mit den Auswirkungen des Weltraumwetters konfrontiert werden. Uneinig ist man sich nur noch, in welcher Form: Erwarten uns Katastrophen mit großflächigen Stromausfällen, oder bleibt es bei spektakulären Polarlichtern in Regionen, wo sie bislang nie zu sehen waren?

Auch um diese Frage zu beantworten, wollen Forscher wie Monika Korte besser verstehen, wie sich das Erdmagnetfeld verändert und wie die Pole wandern, diese Einfallstore für geladene Partikel. Wie schnell polt sich die Erde um? Das letzte Ereignis dieser Art könnte innerhalb von nur 100 Jahren stattgefunden haben, meldeten italienische Forscher letztes Jahr. „Normalerweise dauert eine Umpolung länger“, sagt Korte, „wahrscheinlich mehrere Tausend Jahre. Und vermutlich entsteht dabei zunächst eine kompliziertere Struktur mit mehreren Feldern und mehreren Polen.“

Was mich am Geomagnetismus wirklich fasziniert, ist, dass man mit Messungen hier an der Erdoberfläche Rückschlüsse darauf ziehen kann, was 3000 Kilometer unter unseren Füßen stattfindet.

Monika Korte

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Hermann Lühr
Und trotz aller Indizien hält die Geophysikerin es immer noch für offen, ob der Prozess wirklich begonnen hat. Zwar findet eine Umpolung durchschnittlich alle 500.000 Jahre statt – aber noch älteres Vulkangestein verrät, dass das Erdmagnetfeld auch schon über einen Zeitraum von 30 Millionen Jahren stabil blieb, manchmal aber auch nur 40.000 Jahre lang. Und manchmal begann das Erdmagnetfeld mit der Umpolung, nur um dann doch wieder zum alten Zustand zurückzukehren.

Festlegen will sich kaum ein Geophysiker. „Wir haben bis jetzt leider überhaupt keine Vorstellung davon, wie Umpolungen ablaufen“, sagt Kortes Kollege Hermann Lühr. „Aber wenn wir die Abnahme des Magnetfeldes im südlichen Atlantik betrachten, dann ist es ein deutliches Zeichen dafür, dass dort bereits ein Gegenfeld erzeugt wird.“ Lühr hat einen selten genauen Einblick in die südatlantische Anomalie. Er leitet am GFZ das deutsche Projektbüro für die europäische Satellitenmission Swarm. Bei dem Projekt vermessen die drei baugleichen Satelliten Alpha, Bravo und Charlie das Erdmagnetfeld – und insbesondere auch die Schwachstelle über dem Südatlantik – genauer als je zuvor.

Seit November 2013 umrunden sie etwa 15-mal täglich die Erdkugel, zwei in einer Höhe von 462 Kilometern, der dritte kreist auf 510 Kilometern. In dieser Formation können sie erstmals ein 3-D-Bild des Erdmagnetfelds aufzeichnen. Monika Korte und ihre Kollegen beim GFZ erhoffen sich von dem Trio einen gewaltigen Zuwachs an Erkenntnissen. Die ersten Swarm-Ergebnisse, die Mitte 2014 veröffentlicht wurden, bestätigen, dass das Erdmagnetfeld insgesamt an Kraft verliert. Die Daten haben aber auch gezeigt, dass das Magnetfeld neben Regionen wie der südatlantischen Anomalie, die stark an Kraft verlieren, lokal begrenzt sogar an Kraft gewinnen kann – wichtige Informationen, wenn wir genauer vorhersagen wollen, wo sich das Weltraumwetter wie bemerkbar machen wird.

Den Brasilianern beschert die schwächelnde südatlantische Anomalie beispielsweise ein weniger genaues GPS-Signal. Der Teilchenbeschuss lädt die Ionosphäre hier stärker elektrisch auf, was die Signale der GPS-Satelliten stört. Für Astronauten der internationalen Raumstation ISS bedeutet die südatlantische Anomalie eine enorme zusätzliche Strahlenbelastung. Im All bekommen sie mit einer Dosis von 650 Mikrosievert pro Tag das 100-Fache der Menge auf der Erdoberfläche ab. Davon gehen allein 200 Mikrosievert auf das Konto der südatlantischen Anomalie, die sie sechsmal täglich durchfliegen. Auch Langstreckenflüge, die die Region passieren, sind einer höheren Strahlenbelastung ausgesetzt.

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Andrew Monham
Auch die Betreiber von unbemannten Satelliten haben ihre liebe Not mit dem Südatlantik. Regelmäßig gehen hier Daten verloren, manchmal auch ganze Satelliten, manche sprechen schon vom südatlantischen Bermudadreieck. Für Andrew Monham, Flugleiter der Wettersatelliten Metop-A und -B beim Betreiber Eumetsat in Darmstadt, sind die Probleme der erhöhten Strahlungswerte über dem Südatlantik Alltag. „Normalerweise gibt es dann eine Störung in der Elektronik – die Bordsoftware erkennt das und fährt sich selbst herunter“, sagt Monham. Hat der Satellit die Anomalie passiert, wird er per Signal von einer Bodenstation aus wieder hochgefahren. Vom technischen Standpunkt her nicht sonderlich dramatisch, nur Wetterdaten gibt es in der Zeit eben nicht.

Sicherheitshalber lässt Monham aber beim Eintritt in die Anomalie ein spezielles Kommunikationsmodul bei einem der Metop-Satelliten abschalten – zwei hat er an Bord, eines hat die Anomalie schon dahingerafft. Andere gehen noch strikter vor: Das Weltraumteleskop Hubble beispielsweise schaltet sich in Zonen erhöhter Strahlung komplett ab.

Mit welcher Wucht der Teilchenstrom auf die Erde trifft, zeigen grafische Umsetzungen von Messungen am Erdmagnetfeld. Eigentlich sollte es so wie das eines Stabmagneten aussehen: Am einen Ende, dem magnetischen Nordpol, treten die Feldlinien aus, beschreiben eine weite Kurve und führen am anderen Ende, dem Südpol, wieder in den Magneten hinein. Im Prinzip ist das auch so: Während die Feldlinien an den Polen fast senkrecht ein- und austreten und so fast keinen Schutz bieten, reichen sie am Äquator weit in den Kosmos hinein und lenken das Dauerfeuer um. Doch auf der Seite, die der Sonne zugewandt ist, wird das Magnetfeld stark zusammengedrückt, während es auf der Nachtseite wie der Schweif eines Kometen weit in den Weltraum reicht.

Viel unklarer ist das Bild, das Wissenschaftler vom Ursprung dieses wabernden Feldes haben. Wenn man Monika Korte auf diese Fragen anspricht, kommt die sonst eher zurückhaltende Frau ins Schwärmen. „Was mich am Geomagnetismus wirklich fasziniert, ist, dass man mit Messungen hier an der Erdoberfläche Rückschlüsse darauf ziehen kann, was 3000 Kilometer unter unseren Füßen stattfindet“, sagt sie. „Dazu hat man ja keinen direkten Zugang. Wir können Raketen ins All schicken und bis zum Mond fliegen. Aber in die Erde wirklich reingucken, reinbohren, können wir nur wenige Kilometer. Da kommt man nicht sehr weit.“ Gut zwölf Kilometer beträgt der Rekord, den ein Team von Geowissenschaftlern 1989 auf der russischen Halbinsel Kola aufgestellt hat.

95 Prozent des Erdmagnetfelds, so der allgemein anerkannte Stand der Forschung, entsteht durch den Geodynamo, wie das Zusammenspiel von Metallen im Erdkern genannt wird: Der rund 5000 Grad Celsius heiße innere Erdkern erwärmt flüssiges Metall im äußeren Erdkern und lässt es aufsteigen. Mit wachsender Entfernung kühlt es ab und sinkt wieder. Weil sich mit dem Metall elektrisch leitfähiges Material bewegt, fließen Ströme – und diese erzeugen ein Magnetfeld.

Die restlichen fünf Prozent des Erdmagnetfelds stammen von magnetisierten Gesteinen, von den Bewegungen des leitfähigen Salzwassers in den Ozeanen und von Magnetfeldern in der oberen Atmosphäre, die durch den Sonnenwind erzeugt werden.

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Das Hauptfeld, das durch den Geodynamo erzeugt wird, ändert sich nur sehr langsam. Große und schnelle Schwankungen der Magnetfeldintensität und -richtung deuten darum auf eine verstärkte Sonnenaktivität hin. Auch die sogenannten Halloween-Sonnenstürme vom Oktober 2003 machten sich so in Niemegk bemerkbar. Die heftigen Ausschläge an den Messinstrumenten begannen am 29. Oktober in den frühen Morgenstunden, bis zum Nachmittag des 31. Oktober ging es so weiter. Auf dem ganzen Globus spielten in den Observatorien die Magnetometer verrückt.

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Volker Bothmer
Auch Volker Bothmer, der an der Universität Göttingen ein Frühwarnsystem für solche Sonnenereignisse entwickelt, hat die Halloween-Stürme genau verfolgt. Die Bilanz: ein verlorener japanischer Wettersatellit, großflächige Kommunikationsprobleme mit vielen anderen Satelliten. Das GPS verlor an Genauigkeit, acht Stunden funktionierte das europäische Flugradar nicht. Weil auch der im Flugverkehr vorgeschriebene Funkverkehr gestört war, mussten 60 Flugzeuge am Boden bleiben. Im schwedischen Malmö fiel für mindestens eine Stunde der Strom aus; in Südafrika wurden mehrere Transformatoren beschädigt. Insgesamt ein wirtschaftlicher Schaden in zwei- bis dreistelliger Millionenhöhe.

Monika Korte blickt in die Tiefe, um das Magnetfeld zu verstehen. Bothmer blickt ins All, um die Gefahren zu verstehen, vor denen es uns schützt. Normalerweise ist das Weltraumwetter ungemütlich, aber nicht allzu bedrohlich: Die Sonne strahlt neben dem sichtbaren Licht einen Mix aus UV- und Röntgenstrahlen, Protonen und Elektronen sowie Heliumatomen aus – den Sonnenwind. Zusammen mit der kosmischen Strahlung, hochenergetischen Teilchen aus den Tiefen des Weltalls, dringt er bis in den erdnahen Raum vor. Ein Sonnensturm ist da ein ganz anderes Kaliber. Er entsteht aufgrund komplexer magnetischer Prozesse auf der Sonnenoberfläche, bei denen unser Zentralgestirn abrupt gewaltige Mengen Materie abhustet. „So ein koronaler Massenauswurf entspricht ein paar Milliarden Tonnen Materie oder, anders ausgedrückt, einem ganzen Himalajaberg“, sagt Volker Bothmer.

Relevant für uns wird diese hoch beschleunigte Materiewolke aber nur, wenn sie genau in Richtung Erde fliegt. Die ist aber glücklicherweise von der Sonne aus gar nicht so leicht zu treffen: Aus ihrer Perspektive erscheint unser Planet gerade einmal so groß wie uns ein Stecknadelkopf aus zehn Metern Entfernung. Das Problem ist nur: Die Sonne hat unbegrenzt viele Versuche, uns zu treffen.

Es ist keine Frage des Ob, sondern nur, wann so ein Supersturm uns wieder treffen wird.

Volker Bothmer

Für Weltraumwetterexperten steht daher fest: Das Carrington-Event, der schwerste uns bekannte Beschuss dieser Art, wird kein Einzelfall bleiben. „Es ist keine Frage des Ob, sondern nur, wann ein so ein Supersturm uns wieder treffen wird“, sagt Bothmer. Den einzigen Vorhersageservice, der seinem Namen halbwegs gerecht wird, bietet bis dato das Space Weather Prediction Center bei der nordamerikanischen Wetterorganisation NOAA. Für Satellitenbetreiber wie die Eumetsat ist selbst der allerdings nicht wirklich nützlich. Verlässliche Warnungen kämen oft erst dann, wenn die Flugteams in den Satellitenkontrollzentren nicht mehr eingreifen könnten, sagt Metop-Flugleiter Andrew Monham. Und auf bloßen Verdacht könne man keinen Satelliten abschalten. Hilfreich seien die Daten aber trotzdem: im Nachhinein, um ungewöhnliche Vorkommnisse an Bord der Satelliten aufzuklären.

Bothmer kennt diese Problematik: „Die Daten für die Vorhersage stammen bisher von wissenschaftlichen Satelliten, die nicht für eine kontinuierliche Weltraumwetterbeobachtung ausgelegt sind.“ In dem EU-Forschungsprojekt Affects (Advanced Forecast for Ensuring Communications through Space) entwirft Bothmer gemeinsam mit anderen europäischen Partnern den Prototyp eines Weltraumwetterfrühwarnsystems. Es soll unter anderem per Smartphone-App binnen Minuten über neue Sonnenaktivitäten informieren.

Für ein operationelles System, das rund um die Uhr zuverlässig arbeitet, brauche es noch viel mehr, sagt Bothmer. Nicht nur Satelliten, die extra für dieses Warnsystem gebaut werden müssten, sondern auch neue Analyseverfahren und Modellrechnungen. Weltweit gültige Standards, nach denen Warnungen herausgegeben werden. Und Entscheidungsträger, die mit klar definierten Maßnahmen auf solche Warnungen reagieren.

Das ist viel, gemessen daran, dass ein Sonnensturm von der Stärke des Carrington-Events nur sehr selten vorkommt. Und doch sei es wichtig, vorbereitet zu sein, sagt Bothmer. „Ein längerfristiger Stromausfall in bestimmten Gegenden wird je nach Technologie des Netzsystems natürlich dramatische Konsequenzen haben. Man hat ja in Fukushima gesehen, dass man teilweise gar nicht alle Risiken vorhersehen kann, die auftreten können.“

Vielleicht wäre in so einem Fall eine Holzhütte mitten im brandenburgischen Nirgendwo noch einer der sichersten Orte.

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