Sonnensturm Auswirkungen auf Technik: GPS, Stromnetze, Satelliten und Internet
Wenn Menschen über Sonnenstürme reden, denken sie meist an Polarlichter. Das ist verständlich, aber es lenkt den Blick weg von den Auswirkungen, die für den modernen Alltag tatsächlich relevant sind. Geomagnetische Stürme greifen in Systeme ein, auf die Gesellschaften täglich angewiesen sind: Satellitennavigation, Stromversorgung, Kommunikation und Luftfahrt. Das Spektrum reicht von kurzen GPS-Ungenauigkeiten, die die meisten Menschen nicht bemerken, bis zu theoretischen Katastrophenszenarien, wie sie beim Carrington-Ereignis von 1859 realer gewesen wären als heute noch angenommen.
GPS: Woher die Fehler kommen
GPS-Signale reisen von Satelliten in etwa 20.000 Kilometern Höhe zur Erde. Auf dem Weg durch die Ionosphäre, die geladene Schicht der oberen Atmosphäre zwischen 60 und 1000 Kilometern Höhe, werden diese Signale gebrochen und leicht verzögert. Unter normalen Bedingungen ist diese Verzögerung bekannt und wird von GPS-Empfängern automatisch korrigiert.
Während eines geomagnetischen Sturms verändert sich die Ionosphäre schnell und ungleichmäßig. Die Elektronendichte schwankt, es entstehen Inhomogenitäten, und die Korrekturen des Empfängers passen nicht mehr zur Realität. Das Ergebnis sind Positionsfehler, die je nach Sturmstärke von wenigen Metern bis zu mehreren Zehnern von Metern reichen.
Für die private Navigation im Auto sind solche Fehler meist tolerierbar. Für andere Anwendungen nicht. Präzise Landwirtschaft mit GPS-gesteuerter Aussaat auf Zentimeter-Genauigkeit fällt auf Meter-Genauigkeit zurück. Baumaschinen mit GPS-Steuerung verlieren ihre Präzision. Vermessungsarbeiten werden unbrauchbar. Schiffsnavigation in engen Gewässern wird unsicherer.
Dual-Frequenz-GPS-Empfänger sind weniger anfällig, weil sie zwei verschiedene Signalfrequenzen vergleichen und damit ionosphärische Effekte teilweise herausrechnen können. Sie werden in professionellen Anwendungen zunehmend eingesetzt, sind aber teurer als Standard-Empfänger.
Stromnetze: Das Risiko der induzierten Ströme
Das Risiko für Stromnetze durch Sonnenstürme basiert auf einem physikalischen Grundprinzip: Ein sich veränderndes Magnetfeld induziert elektrische Ströme in leitfähigen Strukturen. Wenn ein Geomagnetsturm die Erdmagnetosphäre verformt, entstehen großräumige elektrische Ströme in der Magnetosphäre und Ionosphäre. Diese Ströme schwanken, und ihre Schwankungen treiben Gleichströme durch die langen Leitungen des Stromnetzes.
Hochspannungsnetze sind für Wechselstrom gebaut. Ein zusätzlicher Gleichstromanteil, wie ihn geomagnetisch induzierte Ströme erzeugen, sättigt die Magnetkerne von Transformatoren. Im gesättigten Zustand verhalten sich Transformatoren nicht mehr linear, sie verbrauchen mehr Strom, erzeugen Oberschwingungen im Netz und erhitzen sich stark. Im schlimmsten Fall führt die Überhitzung zu irreparablen Schäden.
Transformatoren der höchsten Leistungsklassen, sogenannte EHV-Transformatoren, werden nicht in Serie gefertigt. Lieferzeiten für neue Einheiten betragen typischerweise ein bis zwei Jahre. Wenn mehrere solcher Transformatoren gleichzeitig ausfallen, wie es theoretisch bei einem extremen G5-Sturm mit langer Andauer möglich wäre, kann die Wiederherstellung des Netzes Monate dauern.
Das Risiko ist geografisch ungleich verteilt. Länder in höheren Breiten wie Kanada, Skandinavien und Russland sind stärker exponiert. Deutschland liegt im mittleren Risikobereich. Bei dem Sturm von 1989, der Quebec traf, wurden auch in Großbritannien Transformatoren beschädigt, ohne dass es zu Ausfällen kam. Deutsche Netzbetreiber beobachten Weltraumwetter-Warnungen und haben Protokolle, um auf erhöhte Geomagnetsturmgefahr zu reagieren.
Satelliten: Mehrere Schadenswege gleichzeitig
Satelliten sind dem Weltraumwetter direkt ausgesetzt, ohne den Schutz der Erdatmosphäre. Geomagnetische Stürme schädigen Satelliten über mehrere Mechanismen gleichzeitig.
Der direkteste ist der erhöhte Teilchenfluss. Energiereiche Protonen und Elektronen dringen in Elektronikkomponenten ein und können Speicherzellen kippen, was als Single Event Upset bezeichnet wird, oder Halbleiter dauerhaft beschädigen. Solarzellen verlieren durch Teilchenstrahlung über Zeit an Effizienz, was die Lebensdauer von Satelliten verkürzt.
Ein weiterer Mechanismus ist der atmosphärische Auftrieb. Wenn die Thermosphäre sich durch starke Sonnenstürme ausdehnt, erfahren Satelliten in niedrigen Umlaufbahnen mehr Luftwiderstand. Ihre Bahn sinkt schneller als geplant, und sie brauchen häufiger Korrekturen, die Treibstoff verbrauchen. SpaceX verlor im Februar 2022 38 von 49 frisch gestarteten Starlink-Satelliten, weil sie sich noch im Manöver zum Erreichen ihrer endgültigen Bahn befanden, als ein G2-Sturm die Thermosphäre aufblähte.
Bei extremen Ereignissen können Satelliten auch durch induzierte elektrische Ladungen beschädigt werden. Oberflächenladungen entstehen, wenn Elektronen sich auf der Außenseite des Satelliten ansammeln. Wenn sich diese Ladung plötzlich entlädt, kann das lokale Schäden an Elektronik und Solarpanelen verursachen.
Flugverkehr: Polrouten und Strahlenbelastung
Viele interkontinentale Flugverbindungen zwischen Europa und Nordamerika oder Ostasien nutzen Polrouten, weil sie über den geografischen Nordpol führen und damit die kürzeste Verbindung zwischen den Kontinenten bieten. Diese Routen liegen direkt unter dem Auroren-Oval.
Während starker geomagnetischer Stürme nehmen Strahlenbelastung für Besatzung und Passagiere auf Polrouten zu und Kurzwellenkommunikation über den Polarregionen fällt aus. Beide Probleme werden von Fluggesellschaften ernst genommen.
Die Strahlenbelastung auf Polrouten kann bei starken Sturmereignissen Werte erreichen, die eine Umleitung auf südlichere Routen rechtfertigen. Fluggesellschaften beobachten die Weltraumwetter-Prognosen der NOAA und weichen bei erhöhten Warnungen auf Routen aus, die 10 bis 20 Grad südlicher verlaufen. Das bedeutet mehr Treibstoff, längere Flugzeiten und höhere Kosten pro Flug.
Kurzwellenkommunikation, die über Polrouten für den Kontakt mit Bodenstationen und für den Notfallkommunikationskanal genutzt wird, kann während starker Flares und geomagnetischer Stürme für Stunden ausfallen. Satellitenkommunikation dient als Backup, ist aber teurer und hat begrenzte Kapazitäten.
Internet und Unterwasserkabel
Das globale Internet läuft zu einem großen Teil über Glasfaser-Unterwasserkabel. Diese Kabel selbst sind durch Sonnenstürme nicht direkt gefährdet, aber die Verstärker entlang der Kabel, die das Signal alle paar hundert Kilometer auffrischen, sind mit Stromversorgungssystemen verbunden, die über das Kabel selbst laufen.
Ein theoretischer Schaden durch geomagnetisch induzierte Ströme in solchen Systemen ist möglich, aber die Redundanz des Internets sorgt dafür, dass der Ausfall einzelner Kabel oder Verstärker kaum spürbar ist. Das Internet wurde ursprünglich mit dem Ziel entworfen, Knotenausfälle automatisch zu umgehen.
Deutlich direkter betroffen sind Satelliten-Internetdienste. Wenn Satelliten während eines starken Sturms in einen sicheren Modus wechseln, fällt der Dienst aus. Das gilt auch für kommerzielle Satellitenkommunikations-Systeme wie Inmarsat, die von Schiffen, Flugzeugen und abgelegenen Installationen genutzt werden.
Mobilfunknetze sind für Sonnensturm-Auswirkungen wenig anfällig. Die relevante Infrastruktur liegt auf der Erde, und die Ausbreitung von Mobilfunksignalen nutzt keine ionosphärischen Reflexionen. Kurzwellenradio hingegen, das genau das tut, leidet während starker Sonnenstürme stark.
Medizinische Geräte und kritische Infrastruktur
Krankenhäuser und Rechenzentren haben in der Regel eigene Notstromsysteme. Kurzfristige Netzausfälle sind für solche Einrichtungen beherrschbar, langfristige dagegen nicht. Das eigentliche Risiko liegt in Ausfällen, die länger dauern als die Kapazität der Notstromaggregate, also typischerweise mehr als 24 bis 72 Stunden.
Herzschrittmacher und ähnliche medizinische Implantate sind durch geomagnetische Felder nicht direkt gefährdet. Die magnetischen Feldstärken, die Sonnenstürme auf der Erdoberfläche erzeugen, liegen weit unter den Schwellenwerten, die für solche Geräte problematisch werden würden.
Was der aktuelle Stand der Schutzmaßnahmen ist
Seit dem Quebec-Ereignis 1989 haben Netzbetreiber und Behörden in vielen Ländern Maßnahmen ergriffen. In Deutschland koordiniert der Verband der Netzbetreiber mit dem Deutschen Wetterdienst und dem GFZ Potsdam ein Frühwarnsystem. Netzbetreiber erhalten bei erhöhter Geomagnetsturmgefahr Warnungen und können Lasten reduzieren und Schutzschaltungen aktivieren.
Das grundlegende Problem bleibt aber bestehen: Das Netz wurde nicht für extreme Weltraumwetter-Ereignisse ausgelegt, und eine vollständige Schutzarchitektur wäre mit erheblichen Kosten verbunden. Die Debatte darüber, wie viel Investition in Schutzmaßnahmen gerechtfertigt ist, läuft seit Jahren, ohne dass ein gesellschaftlicher Konsens erreicht wurde.
Aktueller Kp-Index – Sturmstärke in Echtzeit
Sonnensturm Deutschland – Überblick über Geomagnetsturme
Koronale Massenauswürfe – Wie Sonnenstürme entstehen
Solar-Flares der X-Klasse – Der erste Schritt zum Sonnensturm
