Ende Januar waren über Bayern Polarlichter zu sehen, hervorgerufen von elektrisch geladenen Teilchen, die von der Sonne stammen. Was für Beobachter ein Spektakel ist, kann für Elektronik gefährlich werden: Die Teilchen des sogenannten Sonnenwinds können Satelliten stören, GPS-Signale verfälschen und Stromnetze und sogar Öl-Pipelines auf der Erde beschädigen. 1989 legte ein Sonnensturm in Kanada Transformatoren (externer Link) lahm, 2022 führte ein anderer zum Absturz [externer Link] mehrerer Dutzend Starlink-Satelliten.
SMILE nimmt Polarlichter aus 121.000 Kilometern Höhe auf
Der neue Satellit SMILE (Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer), ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Weltraumagentur ESA und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften CAS, soll den Teilchenstrom, der von der Sonne kommt, erforschen und künftig die Vorhersage des „Weltraumwetters“ verbessern.
SMILE soll die Erde in einer elliptischen Bahn umkreisen, mit einem Abstand von bis zu 121.000 Kilometern über dem Nordpol. Das entspricht etwa einem Drittel der Distanz zum Mond. Wegen des großen Abstands kann die Forschungssonde bis zu 45 Stunden ununterbrochen Polarlichter aufnehmen. Dies geschieht mit einer UV-Kamera sowie einer Röntgenkamera. Denn wenn die Teilchen auf das Erdmagnetfeld treffen, wird Röntgenstrahlung freigesetzt. Ein Magnetometer soll zusätzlich Informationen über die Wechselwirkung von Sonnenwind-Teilchen und der Atmosphäre der Erde beziehungsweise ihrem Magnetfeld liefern.
Sonnenwind stört GPS
Der Astrophysiker Lucas Schreiter vom Deutschen Geodätischen Forschungsinstitut [externer Link] an der Technischen Universität München erforscht, wie sich vor allem GPS-Satelliten vor starken Sonnenwinden schützen lassen: „Wenn ein hochenergetischer Partikel einen Satelliten trifft, kann die Elektronik gestört werden, was dazu führen kann, dass das GPS gar nicht mehr verfügbar ist.“ Es kann aber auch nur Störungen geben und damit Abweichungen der Positionsbestimmungen auf der Erde. Das hat Folgen für Luft- und Schifffahrt, das autonome Fahren und sogar Finanztransaktionen, die mittels des Zeitsignals der Satelliten gesteuert werden.
Sonnenwind schickt geladene Teilchen bis zur Erde
Die Teilchen fließen, erklärt Schreiter, entlang der Magnetfeldlinien in die Atmosphäre hinein, letztendlich sogar bis zum Erdboden, wo sie Stromnetze und sogar Öl-Pipelines schädigen können.
Vom Satelliten SMILE und seinen Aufnahmen der Polarlichter erhofft er sich neue Erkenntnisse: „SMILE geht sogar so weit, dass er die Polarlichter nicht nur auf der Nachtseite sieht, sondern auch auf der Tagseite. Man hat diesen extrahohen Orbit gewählt, damit man lange dort stehen kann und eine lange Beobachtungszeit hat.“
SMILE soll erstmals das Erdmagnetfeld sichtbar machen
Ein viertes Instrument von SMILE, der Leichtionenanalysator [externer Link], soll Sonnenwindpartikel sammeln und dabei ihre dreidimensionale Verteilung und ihre Geschwindigkeit erfassen.
Die Forschenden erhoffen sich von den Messungen neue Einblicke in die Wechselwirkung der Teilchen mit der Erdatmosphäre, insbesondere der hochenergetischen Teilchen nach einem sogenannten koronalen Massenauswurf der Sonne: Dann rasen riesige Plasmawolken durch das All. Die darin enthaltenen geladenen Partikel können bis zu 2.000 Kilometer pro Sekunde schnell sein, wenn sie auf das Erdmagnetfeld treffen, so Jens Berdermann vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt: „Man nennt das geomagnetisch induzierte Ströme. SMILE soll jetzt erstmals das Erdmagnetfeld sichtbar machen.“
Das Erdmagnetfeld schützt und produziert Polarlichter
Das Erdmagnetfeld umgibt die Erde in Bögen, die sich bis weit in den Weltraum erstrecken. Es lenkt viele Sonnenwind-Teilchen ab und verhindert, dass sie ungebremst auf Atmosphäre und Erdoberfläche prasseln.
Entlang der Magnetfeldlinien fließen Teilchen in Richtung der Erdpole und regen dort Sauerstoff- und Stickstoffatome an. Die Folge sind Polarlichter in Grün, Rot und Violett – sichtbares Zeichen der Wechselwirkung von Sonnenwind und Erdmagnetfeld.
SMILE vervollständigt die Kette von Beobachtungssatelliten
Schon jetzt gibt es Satelliten zur Sonnenbeobachtung in der Nähe des sogenannten Lagrange-Punkts L1. Dort – etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt – heben sich die Gravitationskräfte von Sonne und Erde und die Zentrifugalkraft gegenseitig auf. Die Satelliten dort können die Erde in einem stabilen Abstand begleiten. Sie liefern Daten über ankommende Sonnenwinde und geben Vorwarnung, wenn ein Sonnensturm droht.
Zudem gibt es Satelliten im erdnahen Orbit, die das Erdmagnetfeld vermessen. SMILE soll sich quasi dazwischen positionieren und, so Lucas Schreiter, „das Bindeglied zwischen diesen Missionen“ bilden.
