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Im Mai 2024 wurde die Erde von einem der heftigsten geomagnetischen Superstürme seit Jahrzehnten getroffen. Beobachtungen des japanischen Satelliten Arase und von bodengestützten Messnetzen zeigten, wie die schützende Plasmasphäre des Planeten unter extremem solaren Druck zusammenbrach und warum ihr Wiederaufbau Tage statt Stunden dauerte. Diese neuen Messdaten verändern das Verständnis von Weltraumwetter-Einflüssen auf Satelliten, GPS-Navigation und Funkkommunikation und liefern wichtige Erkenntnisse für die Raumfahrt- und Infrastruktur-Resilienz.
Wissenschaftler:innen haben die ersten detailreichen Beobachtungen erfasst, wie ein Supersturm die Plasmasphäre der Erde komprimiert hat, und erklärt, warum die Erholung mehr als vier Tage dauerte — mit Folgen für Navigations- und Kommunikationssysteme.
What happened during the Mother’s Day storm?
Am 10. und 11. Mai 2024 löste eine Folge kräftiger Sonneneruptionen einen geomagnetischen Supersturm aus — den heftigsten, der die Erde seit über 20 Jahren traf. In manchen Berichten wird dieses Ereignis als Gannon- oder Mother’s-Day-Sturm bezeichnet. Der Angriff bestand aus einer intensiven Welle geladener Partikel und magnetischer Energie, die in die Magnetosphäre der Erde einschlug und die Plasmasphäre zusammenpresste. Die Plasmasphäre ist die Region kühlen, dichten Plasmas, die mit der Erdrotation mitläuft und einen wichtigen Teil des schützenden Weltraumwettersystems bildet.
Geomagnetische Superstürme sind selten und treten typischerweise alle 20 bis 25 Jahre auf. Wenn sie jedoch eintreten, wirken ihre Effekte wie eine Kaskade durch den erdnahen Raum: Satellitenelektronik kann Fehler zeigen, GPS-Positionsgenauigkeit nimmt ab, und Funkverbindungen werden unzuverlässig. Während dieses besonderen Ereignisses drangen Polarlichter — normalerweise auf polare Breiten beschränkt — bis in mittlere Breitengrade vor, etwa in Regionen Japans, Mexikos und Teilen Südeuropas, und erzeugten spektakuläre nächtliche Himmelserscheinungen weit entfernt von den Polen. Solche auroralen Ausdehnungen markieren zudem lokal erhöhte Energieeinträge in die obere Atmosphäre und sind sichtbare Indikatoren für starke geomagnetische Störungen.
Arase’s front-row measurements
Der von der japanischen Raumfahrtagentur JAXA 2016 gestartete Satellit Arase (auch ERG genannt) ist mit Instrumenten ausgestattet, um Plasmawellen, geladene Teilchen und Magnetfelder innerhalb der Plasmasphäre direkt zu messen. Während des Sturms im Mai 2024 befand sich Arase zufällig in einer idealen Umlaufbahn und lieferte kontinuierliche In-situ-Daten aus unmittelbarer Nähe der Plasmasphäre, während diese nach innen gedrückt wurde. Solche direkte Messungen aus dem betroffenen Raumvolumen sind selten und bieten einen beispiellosen Einblick in die Dynamik extremer Ereignisse.
Normalerweise erstreckt sich die Plasmasphäre bis in Höhen von etwa 44.000 km über der Erdoberfläche; Arase registrierte jedoch, dass die äußere Begrenzung innerhalb von nur neun Stunden auf etwa 9.600 km zusammenbrach — also auf ungefähr ein Fünftel ihres üblichen Ausmaßes. Diese drastische Kontraktion und die darauffolgende langsame Wiederauffüllung liefern das bislang klarste Bild, wie extreme solare Belastungen die Plasmaumgebung formen, die Satelliten und bodengestützte Systeme abschirmt. Solche Messwerte sind für die Validierung physikalischer Modelle der Magnetosphäre und Plasmasphäre von hoher Bedeutung.
How scientists combined spacecraft and ground data
Forschende kombinierten Arases Teilchen- und Feldmessungen mit Messreihen von landgestützten GPS-Empfängern, um Änderungen der Ionosphären-Dichte zeitlich und räumlich zu verfolgen. Die Ionosphäre — die obere Schicht der Atmosphäre, reich an geladenen Teilchen — liefert Ionen, die in die Plasmasphäre aufsteigen und diese nach Störungen wieder auffüllen. Durch die gleichzeitige Überwachung beider Regionen konnten die Wissenschaftler:innen nicht nur die Kompression beobachten, sondern auch die Prozesse identifizieren, die die Erholung verzögerten. Diese gekoppelte Datennutzung verbindet Satellitenbeobachtungen mit terrestrischer Fernerkundung und erhöht die Aussagekraft der Analysen.
Ein seltenes Niedrigbreiten-Polarlicht wurde in Rikubetsu (Japan) während des Supergeomagnetsturms im Mai 2024 fotografiert — dem stärksten Sturm seit mehr als 20 Jahren. Dieser Sturm führte zu extremer Kompression der Plasmasphäre, erstmals dokumentiert durch direkte Satellitenmessungen.
Why recovery took more than four days
Nach der anfänglichen Kompression hatten Forschende erwartet, dass sich die Plasmasphäre innerhalb eines oder zweier Tage wieder auffüllt. Entgegen dieser Erwartungen dauerte die Erholung jedoch mehr als vier Tage — die längste von Arase seit Beginn seiner Überwachung dieser Region im Jahr 2017 aufgezeichnete Wiederauffüllungszeit. Das Team lokalisierte die Ursache der Verzögerung bei einem Phänomen, das als "negative Sturm" bezeichnet wird und großräumig die Partikeldichten in der Ionosphäre reduziert.
Negative Stürme treten auf, wenn starke Erwärmung durch solare Energiezufuhr die Chemie der oberen Atmosphäre verändert. Im vorliegenden Fall führte die Erwärmung in polnahen Gebieten zu einem weitreichenden Rückgang der Sauerstoffionen (O+) in der Ionosphäre. Diese Sauerstoffionen sind normalerweise wichtig für die Erzeugung leichterer Wasserstoffionen (H+), die aufsteigen und die Plasmasphäre wieder auffüllen. Mit dem verringerten Nachschub an aufsteigenden Ionen wurde der Wiederaufbau der Plasmasphäre deutlich verlangsamt. Dieser kausale Ablauf zeigt, wie eng gekoppelt magnetosphärische, ionosphärische und thermosphärische Prozesse sind.
Die beobachtete Kette — von extremer magnetosphärischer Kompression über polare Erwärmung bis hin zu Änderungen in der Ionosphärenchemie — liefert eine mechanistische Erklärung für die verzögerte Erholung und verbindet Prozesse, die zuvor nur lose durch einzelne Beobachtungen assoziiert waren. Solche Erkenntnisse erlauben eine bessere Einordnung von Risikoszenarien für Weltraumwetterereignisse.
Impacts on satellites, navigation and forecasting
Die praktischen Folgen einer mehrtägigen Störung der Plasmasphäre sind beträchtlich. Während des Sturms meldeten mehrere Satelliten elektrische Anomalien oder verloren Telemetrie, GPS-Positionsfehler nahmen zu, und Kurzwellenfunkverbindungen wurden gestört. Besonders betroffen sind Anwendungen, die auf präzise Positionsbestimmung und Timing angewiesen sind, etwa Luftfahrt, Schifffahrt, Energieversorgung, Telekommunikation und kritische Infrastrukturen. Solche Beeinträchtigungen können sich zu umfassenderen Betriebsrisiken auswachsen, wenn sie nicht rechtzeitig erkannt und abgefedert werden.
Aus Sicht der Vorhersage verdeutlichen die neuen Beobachtungen eine Lücke: Aktuelle Modelle sagen häufig die unmittelbare Störung durch geomagnetische Aktivität korrekt voraus, unterschätzen aber, wie stark die Chemie der oberen Atmosphäre die Erholungsphase drosseln kann. Die Integration gekoppelter Prozesse — Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre mit chemischen Reaktionen — in operative Weltraumwetter-Modelle wird die Warnfähigkeit und das Risikomanagement für Satellitenbetreiber und Dienstleister deutlich verbessern. Solche modellgestützten Vorhersagen sind essentiell für präventive Maßnahmen und resilientere Systemarchitekturen.
Expert Insight
"Direkte Messungen von einer Mission wie Arase sind von unschätzbarem Wert, weil sie schnelle, lokale Änderungen erfassen, die globale Modelle übersehen können", sagt Dr. Elena Morales, Raumphysikerin, die nicht an der Studie beteiligt war. "Die Beobachtung, dass die Plasmasphäre auf unter 10.000 km zusammenbrach und sich dann nur mühsam erholte, zeigt, wie stark das System vernetzt ist — von Sonneneruptionen bis hin zur atmosphärischen Chemie. Das weist klar auf Bereiche hin, auf die wir unsere Überwachung und Modellverbesserungen ausrichten sollten."
Dr. Atsuki Shinbori und sein Team an der Nagoya University hoben hervor, dass die Kombination von Satelliten- und bodengestützten Datensätzen entscheidend für die Diagnose des Ereignisses war. Ihre Analyse, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Earth, Planets and Space, liefert sowohl ein Benchmark-Ereignis als auch neue Einschränkungen für Modelle, die versuchen, extreme Weltraumwetter-Szenarien zu simulieren. Solche Publikationen stärken die wissenschaftliche Grundlage für zukünftige algorithmische und operationelle Verbesserungen.
Looking ahead: monitoring and resilience
Zukünftige Strategien zur Reduzierung von Verwundbarkeiten umfassen eine Ausweitung der In-situ-Überwachung der Plasmasphäre durch zusätzliche Satellitenmissionen, den Ausbau globaler Netzwerke von Ionosphären-Sensoren und die Verbesserung des Echtzeit-Datenaustauschs zwischen Raumfahrtagenturen, Forschungseinrichtungen und kommerziellen Satellitenbetreibern. Besonders wichtig ist die Entwicklung interoperabler Datenprotokolle und schneller Analyseketten, damit Indikatoren für anhaltende Störungen zeitnah in Warnungen und Operationsempfehlungen münden.
Weitergehende Fortschritte in der Modellierung müssen zudem adressieren, wie die in die obere Atmosphäre eingebrachte Energie die chemische Zusammensetzung verändert — denn genau diese Chemie kann darüber entscheiden, wie schnell die Weltraumumgebung wieder in einen stabilen Zustand zurückkehrt. Verbesserte Modelle, die Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre ganzheitlich koppeln, werden Prognosen zuverlässiger machen und damit Betreibern erlauben, präventive Entscheidungen zu treffen, etwa Lageänderungen von Satelliten, veränderte Betriebsmodi oder verstärkte Fehlerüberwachung.
Für die breite Öffentlichkeit war der Mother’s-Day-Sturm eine ungewöhnliche Himmelsvorstellung; für Wissenschaftler:innen und Betreiber war er jedoch eine eindringliche Erinnerung daran, dass seltene solare Ereignisse lang anhaltende, systemweite Auswirkungen erzeugen können. Mit Blick auf den 11-jährigen Sonnenzyklus werden die Lehren aus dem Mai 2024 dazu beitragen, wie wir künftige große Stürme überwachen, vorhersagen und darauf reagieren — mit verbesserter Resilienz kritischer Infrastrukturen und robusteren Weltraumwetter-Diensten.
Quelle: scitechdaily
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