Weltraumwetter und Ionosphäre

Das Weltraumwetter

Der Begriff Weltraumwetter umfasst alle komplexen Einflüsse und Auswirkungen der Sonne und anderer kosmischen Quellen auf den Zustand des erdnahen Weltraums bis hin zur Erdoberfläche, auf Funktion und Betriebssicherheit weltraumgestützter und bodengebundener technischer Systeme sowie auf Leben und Gesundheit des Menschen.

Stürmisches Weltraumwetter kann faszinierende Polarlichter in der Ionosphäre verursachen, aber auch Satelliten durch Schädigung ihrer empfindlichen Bordelektronik und Solarzellen unbrauchbar machen oder gar zum vorzeitigen Absturz bringen. Solare Strahlungsausbrüche und koronale Massenauswürfe können Dichte, Komposition und Struktur des ionosphärischen Plasmas stören.


Schichtenaufbau der Atmosphäre/Ionosphäre

Die Ionosphäre ist der ionisierte und elektrisch leitfähige Bereich der Hochatmosphäre ab ca. 60 km Höhe. Elektronen und Ionen werden im Wesentlichen durch die solare Strahlung (Extrem Ultraviolette Strahlung (EUV, <103 nm) und Röntgenstrahlung) erzeugt. Die Strahlung wird hierbei in der Thermosphäre absorbiert und heizt gleichzeitig das Neutralgas auf. Während die sichtbare und infrarote Strahlung den Erdboden erreicht und das Wetter in der Troposphäre bestimmt, bleiben EUV und Röntgenstrahlung aus den genannten Gründen in den oberen Luftschichten "stecken".

Das Maximum der Elektronendichte (˜0.9*106/cm3) liegt zwischen 200 und 400 km. Die Zusammensetzung der Ionosphäre aus Elektronen und Ionen ändert sich mit der Höhe entsprechend ihrer Dichte bzw. Masse. Je größer die Dichte ist, umso größer ist die Wahrscheinlichkeit einer Rekombination zum neutralen Gas.

Prozesse in der Ionosphäre

Bei der Ionisation werden Gasatome bzw. -moleküle in Elektronen und positiv geladene Atom- oder Molekülrümpfe (Ionen) aufgespalten. Dieser Zustand mit elektrisch leitenden Eigenschaften heißt Plasma. Die Plasmabildung hat ihre Ursache in der Sonnenaktivität und erfolgt somit nur auf der Tagseite der Erde. Nachts nimmt der Ionisierungsgrad (Plasmadichte) wieder ab. Die freien Elektronen und Ionen ziehen sich gegenseitig an und bilden wieder Atome bzw. Moleküle (Rekombination). Mit Sonnenaufgang wiederholt sich der Prozess aufs Neue.

Das Auf und Ab des Ionisierungsgrades in der Ionosphäre ist vergleichbar mit dem täglichen Temperaturverlauf auf der Erde: mit Sonnenaufgang erwärmt sich die Luft und mit nachlassender Sonnenstrahlung kühlt sie sich wieder ab. Um Atome oder Moleküle zu ionisieren, muss die Energie der Sonnenstrahlung hinreichend groß (kurzwellig, extremes Ultraviolett) sein. Durch diesen "energiezehrenden" Prozess wird die gefährliche Strahlung in Höhen oberhalb ca. 60 km vollständig absorbiert. Unsere Atmosphäre ist also auch ein wichtiges Schutzschild vor den gefährlichen Teilen der Sonnenstrahlung, zu denen auch Röntgenstrahlung zählt.


Auswirkungen auf das System Erde

Kurzwellige Röntgenstrahlung aus Sonneneruptionen und elektrisch geladene Teilchen aus dem Sonnenwind (SWACI Sonne) ionisieren die untere Ionosphäre in etwa 100 km Höhe. Diese zusätzliche Ionisation verändert diese Schicht so, dass die Ausbreitung von Funkwellen beeinflusst wird. Für Längstwellen (3 bis 30kHz), die von einem SOFIE-Empfänger registriert werden, ändern sich bei hochenergetischen Strahlungsausbrüchen der Sonne die Ausbreitungsbedingungen derart stark, dass dies sofort in der empfangenen Signalfeldstärke sichtbar wird. Angesichts gewaltiger solaren Strahlungs- und Massenausbrüche verhält sich die Ionosphäre in Analogie zum Wetter auf der Erde äußerst dynamisch und variabel.

Während Radiowellen mit Frequenzen unterhalb von 30 MHz weitestgehend von der Ionosphäre reflektiert werden, können Funkwellen mit Frequenzen oberhalb von 30 MHz (z.B. VHF, UHF) durch die Ionosphäre hindurch in den Weltraum gelangen. Hierdurch wird die Kommunikation mit Satelliten überhaupt erst möglich und die Signale satellitengestützter Navigationsysteme kommen auf der Erde an. Allerdings verzögert das ionosphärische Plasma die Navigationssignale, so dass Positionierungsfehler die Folge sind.
Die von Satelliten abgestrahlten Radiowellen werden auf ihrem Weg durch die Ionosphäre vom Plasma abgebremst, von der geradlinigen Ausbreitung abgelenkt und an Plasma-Inhomogenitäten gestreut. Bei den Signalen Globaler Navigations-Satelliten-Systeme (GNSS), entspricht dieser Laufzeitfehler einer Entfernung von bis zu 100 Metern.
Durch vom Weltraumwetter verursachte Turbulenzen des ionosphärischen Plasmas werden Radiowellen gestreut, so dass es am Navigationsempfänger zu starken Schwankungen der Signalstärke, den sogenannten Radioszintillationen, kommt. Starke Szintillationen treten fast nur in hohen und äquatornahen Breiten auf. Dennoch können ionosphärische Störungen auch in Mitteleuropa Genauigkeit und Sicherheit präziser GNSS-Anwendungen beeinträchtigen und damit deren Wirtschaftlichkeit reduzieren.

Dies ist ein wichtiger Grund dafür, dass die Untersuchung der Ionosphäre ein Forschungsthema im DLR Neustrelitz ist. Das ständige Beobachten des Ionosphärenverhaltens ermöglicht die Bereitstellung von Laufzeit-Korrekturinformationen z.B. für GPS-Nutzer (SWACI).