Polarlichter: Ein faszinierendes Himmelsspektakel mit gefährlicher Seite
Ende Januar 2026 waren in Deutschland, sogar im Süden, Polarlichter zu sehen – ein seltenes und beeindruckendes Naturschauspiel. Was für Beobachter am Boden ein magischer Anblick ist, hat jedoch eine bedrohliche Kehrseite. Die Ursache dieser Lichter sind elektrisch geladene Teilchen von der Sonne, die in die Erdatmosphäre eindringen und dort zum Leuchten angeregt werden. Diese Teilchenströme, bekannt als Sonnenwind, sind der Vorbote dessen, was Fachleute als Weltraumwetter bezeichnen. Besonders starke Ausschläge können verheerende Folgen haben.
Der Satellit SMILE – die Abkürzung steht für Solar wind Magnetosphere Ionosphere Link Explorer – hob am 21. Mai 2026 in eine Erdumlaufbahn ab. Es handelt sich um ein Gemeinschaftsprojekt der Europäischen Weltraumagentur ESA und der Chinesischen Akademie der Wissenschaften CAS. Das Ziel der Mission ist es, das Zusammenspiel von Sonnenwind, Erdmagnetfeld und Ionosphäre detaillierter zu erforschen als je zuvor. Denn die Fähigkeit, Sonnenstürme vorhersagen zu können, ist nicht nur für die Wissenschaft von Interesse, sondern auch für den Schutz unserer Stromnetze, Satelliten und Kommunikationssysteme.
Als Sonnenstürme GPS-Signale und Stromnetze lahmlegten
Die Geschichte zeigt, wie real die Gefahr durch starke Sonnenstürme ist. Im Jahr 1989 legte ein Sonnensturm in der kanadischen Provinz Québec einen Transformator eines Wasserkraftwerks lahm. In der Folge brach das gesamte Stromnetz für mehrere Stunden zusammen, Millionen Menschen saßen ohne Licht und Heizung fest. Noch im Jahr 2022 führte ein koronaler Massenauswurf zum Absturz mehrerer Dutzend Starlink-Satelliten des Unternehmens SpaceX. Die Teilchen des Sonnenwinds hatten die Atmosphäre aufgeheizt und ausgedehnt, sodass die Satelliten mehr Reibung erfuhren als berechnet und in tiefere Schichten eintauchten, wo sie verglühten.
Doch nicht nur die Stromversorgung und Satelliten sind betroffen. Auch GPS-Signale können durch Sonnenstürme verfälscht werden. In der Luft- und Schifffahrt kann dies zu Navigationsfehlern führen, beim autonomen Fahren sind präzise Positionsdaten unverzichtbar. Selbst Finanztransaktionen, die auf hochgenaue Zeitstempel von Satelliten angewiesen sind, können gestört werden. Die Fähigkeit, Sonnenstürme vorhersagen zu können, wird damit zu einer systemrelevanten Aufgabe für die moderne Gesellschaft.
Betreiber kritischer Infrastruktur sind auf verlässliche Warnungen angewiesen
Stellen Sie sich vor, Sie leiten ein Stromnetzunternehmen in Skandinavien. Ein starker Sonnensturm wird erwartet. Welche konkreten Maßnahmen ergreifen Sie? Typischerweise fahren Netzbetreiber die Last herunter, schalten empfindliche Transformatoren ab oder leiten den Strom um. Ohne eine präzise Vorhersage, wann der Sturm genau eintrifft und wie stark er sein wird, müssen sie entweder zu früh handeln und damit den Betrieb unnötig stören oder zu spät reagieren und riskieren, dass die Anlagen beschädigt werden. SMILE soll genau diese zeitliche und räumliche Prognose deutlich verbessern.
Ein genauer Blick auf die Instrumente von SMILE
Wie will der Satellit das leisten? Die Antwort liegt in seiner einzigartigen Ausstattung. SMILE trägt vier wissenschaftliche Instrumente an Bord, die gemeinsam ein umfassendes Bild der Vorgänge im Erdmagnetfeld liefern. Anders als viele andere Satelliten, die aus einer erdnahen Umlaufbahn arbeiten oder weit draußen am Lagrange-Punkt L1 stationiert sind, wählt SMILE einen neuen Weg: eine stark elliptische Bahn, die ihn bis zu 121.000 Kilometer über dem Nordpol führt – etwa ein Drittel der Entfernung zum Mond. Von diesem erhöhten Standpunkt aus kann er die Polarlichter und die Magnetosphäre über lange Zeiträume hinweg beobachten.
Die Instrumente im Einzelnen:
- UV-Kamera: Sie nimmt das ultraviolette Licht auf, das von den Polarlichtern ausgesendet wird. So werden die Strukturen des Nordlichts und Südlichts sichtbar, die mit bloßem Auge nicht zu sehen sind.
- Röntgenkamera: Dieses Instrument ist eine Besonderheit. Wenn die Teilchen des Sonnenwinds auf das Erdmagnetfeld treffen, wird Röntgenstrahlung freigesetzt. Die Kamera macht diese Strahlung erstmals über lange Zeit hinweg sichtbar und erlaubt Rückschlüsse auf die Energie und Herkunft der Teilchen.
- Magnetometer: Es misst die Stärke und Richtung des lokalen Magnetfelds. Zusammen mit den Bildern der Kameras entsteht so ein dynamisches Modell der Wechselwirkungen zwischen Sonnenwind und Magnetosphäre.
- Leichtionenanalysator: Dieses vierte Instrument sammelt die geladenen Teilchen des Sonnenwinds direkt ein und misst ihre dreidimensionale Verteilung und Geschwindigkeit. So kann bestimmt werden, ob es sich um einen normalen Sonnenwind oder um einen koronalen Massenauswurf handelt – und mit welcher Geschwindigkeit die Teilchen auf die Erde zurasen.
Die Teilchen eines koronalen Massenauswurfs können bis zu 2.000 Kilometer pro Sekunde schnell sein. Das ist mehr als das Hundertfache der Geschwindigkeit eines Flugzeugs. Durch die Kombination der Daten aller vier Instrumente können Forscher die Entwicklung eines Sonnensturms viel genauer verfolgen als bisher.
Das Erdmagnetfeld – der unsichtbare Schutzschild
Das Erdmagnetfeld umgibt unseren Planeten wie ein unsichtbarer Kokon und lenkt die meisten geladenen Teilchen des Sonnenwinds ab. Ohne ihn wäre die Erdoberfläche ständig der vollen Wucht der Sonnenpartikel ausgesetzt. Der Satellit SMILE soll nun erstmals das Erdmagnetfeld in seiner Wechselwirkung mit dem Sonnenwind sichtbar machen. Die Instrumente beobachten, wie die Teilchen in den Magnetfeldlinien gefangen werden, zu den Polen hin beschleunigt werden und dort in der Ionosphäre Ströme erzeugen. Diese Ströme wiederum erzeugen ein sekundäres, zeitlich variables Magnetfeld, das auf der Erdoberfläche Ströme in leitfähigen Strukturen wie Stromleitungen oder Ölpipelines induzieren kann. Indem SMILE diese Prozesse in Echtzeit abbildet, liefert es die Grundlage für bessere Vorhersagemodelle.
Wie SMILE die Vorhersage von Sonnenstürmen konkret verbessert
Bislang basieren Prognosen des Weltraumwetters hauptsächlich auf Daten von Satelliten, die sich am Lagrange-Punkt L1 befinden, etwa 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Diese Satelliten messen den Sonnenwind, bevor er die Erde erreicht – geben aber nur einen punktuellen Wert. SMILE hingegen beobachtet das Erdmagnetfeld selbst aus großer Höhe und über einen langen Zeitraum. Dadurch können Wissenschaftler besser verstehen, wie der Sonnenwind tatsächlich mit der Magnetosphäre interagiert. Die Daten von SMILE ergänzen die Messungen aus L1-Position und erdnahen Satelliten, sodass ein dreidimensionales Bild entsteht. Mit diesem verbesserten Verständnis lassen sich Sonnenstürme vorhersagen – also ihr Eintreffen und ihre Intensität – deutlich genauer bestimmen. Zwar kann ein koronaler Massenauswurf nicht gestoppt werden, aber die Zeit zwischen Erkennung und Eintreffen kann optimal genutzt werden, um Schutzmaßnahmen zu ergreifen.
45 Stunden ununterbrochene Beobachtung – so arbeitet SMILE
Die besondere Umlaufbahn von SMILE erlaubt Aufnahmen von bis zu 45 Stunden Dauer, ohne dass die Sonde auf der Nachtseite der Erde verschwindet. Das ist ein entscheidender Vorteil gegenüber anderen Missionen. Ein koronaler Massenauswurf kann über viele Stunden hinweg auf die Magnetosphäre einwirken. Bisherige Satelliten sahen nur Ausschnitte dieses Prozesses. SMILE liefert ein lückenloses Filmmaterial der Wechselwirkung von Sonnenwind und Magnetfeld. Die UV-Kamera und die Röntgenkamera arbeiten dabei im Tandem: Während die UV-Kamera die Form und Bewegung der Polarlichter aufzeichnet, zeigt die Röntgenkamera die energiereicheren Prozesse in den äußeren Bereichen der Magnetosphäre. Zusammen erlauben sie ein Verständnis der physikalischen Abläufe, das bisher nicht möglich war.
Internationale Kooperation: ESA und China gemeinsam für die Weltraumwetterforschung
Die Mission SMILE ist ein Paradebeispiel für internationale Zusammenarbeit in der Raumfahrt. Die ESA und die Chinesische Akademie der Wissenschaften haben ihre Ressourcen und ihr Fachwissen gebündelt, um eine Mission zu realisieren, die kein einzelnes Land allein so effizient hätte stemmen können. Diese Kooperation ist umso bemerkenswerter, als Weltraumwetter ein globales Phänomen ist. Ein Sonnensturm, der in China gemessen wird, kann Minuten später auch Europa oder Nordamerika treffen. Gemeinsame Datenplattformen und abgestimmte Messstrategien kommen letztlich allen Ländern zugute. SMILE wird seine Daten nach einer Einarbeitungsphase der weltweiten Forschungsgemeinschaft zur Verfügung stellen – ein wertvolles Gemeingut für die Verbesserung der Sonnenstürme-vorhersagen.
Welche Technologien auf der Erde am anfälligsten für Sonnenstürme sind
- Stromnetze: Lange Hochspannungsleitungen wirken wie Antennen für die induzierten Ströme. Transformatoren können überlasten und dauerhaften Schaden nehmen.
- Satelliten: Elektronische Bauteile können durch hochenergetische Teilchen ausfallen oder die Kommunikation kann gestört werden. Besonders gefährdet sind Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen.
- GPS und Navigation: Die Ionosphäre wird durch den Sonnenwind unregelmäßig, sodass GPS-Signale stärker schwanken und ungenau werden.
- Kommunikation: Funkwellen im Kurzwellenbereich können abgeschattet oder gestört werden, was den Kontakt zu Flugzeugen oder Schiffen beeinträchtigt.
- Öl- und Gaspipelines: Auch lange metallische Röhren können induzierte Ströme führen, die Korrosion beschleunigen oder Messinstrumente stören.
Von der Forschung zur Praxis: Wie SMILE das Leben auf der Erde schützt
Die gesammelten Daten von SMILE sind nicht nur für die Grundlagenforschung von Bedeutung. Sie fließen direkt in operationelle Weltraumwetterdienste ein, die Warnungen für Betreiber kritischer Infrastruktur ausgeben. Wenn SMILE frühzeitig erkennt, dass ein koronaler Massenauswurf auf die Erde zusteuert, können Netzbetreiber, Satellitenbetreiber und Luftfahrtbehörden gewarnt werden. Sie haben dann Zeit, ihre Systeme in einen sicheren Modus zu versetzen: Transformatoren werden abgeschaltet, Satelliten in eine schützende Ausrichtung gedreht oder die Stromnetzlast reduziert. Die Verbesserung der Vorhersage von Sonnenstürmen um nur wenige Stunden kann den Unterschied zwischen einem folgenlosen Ereignis und einem großflächigen Stromausfall ausmachen. SMILE ist damit ein aktiver Beitrag zur Sicherheit unserer technologischen Zivilisation – ein Schutzschild aus Daten, der uns hilft, den Kräften der Sonne rechtzeitig zu begegnen.
