GPS-Satelliten sind eher durch milde Sonnenstürme als durch riesige Sonneneruptionen bedroht

Das intensivste Weltraumwetterereignis der letzten zwei Jahrzehnte traf die Umlaufbahn von GPS-Satelliten kurz nach einem Sonnenminimum.

Laut einer neuen Studie können milde Sonnenstürme den GPS-Satelliten größere Probleme bereiten als nur einmal im Jahrhundert auftretende Ereignisse.

Stürme, die von der Sonne ausgehen, stellen Satelliten in der Erdumlaufbahn vor Herausforderungen. Wissenschaftler versuchen, diese Ereignisse besser zu verstehen, um den Betreibern beim Schutz ihrer Raumfahrzeuge zu helfen. Und manchmal finden sie Überraschungen.

Eine neue Studie von Forschern des British Antarctic Survey (BAS) ergab, dass Satelliten im Orbit des Global Positioning System (GPS) möglicherweise stärker unter milderen Sonnenstürmen leiden als unter den beängstigenden Ereignissen, die verheerende Schäden an den Stromnetzen und Telekommunikationsnetzen auf der Erde anrichten.

Nigel Meredith, ein BAS-Weltraumwetterforscher, und seine Kollegen analysierten Satellitendaten aus 20 Jahren und stellten fest, dass es sich um den größten Vorfall für US-amerikanische GPS-Raumschiffe handelte, die wichtige Dienste für viele Sektoren leisten, darunter alle Arten von Transport, Banken und Ölbohrungen – stammte von einem kleinen Sonnensturm im Jahr 2010, während eines verschlafenen Teils des 11-jährigen Aktivitätszyklus der Sonne. Und das bedeutendste Weltraumwetterereignis der jüngeren Geschichte, der Halloween-Sturm 2003, ließ die GPS-Satelliten, die 12.550 Meilen (20.200 Kilometer) über der Erde kreisten, weitgehend unversehrt.

„Manchmal denken die Leute, dass bei einem Supersturm alles auf einmal passieren wird. Aber unsere Studie zeigt, dass das nicht unbedingt der Fall ist“, sagte Meredith gegenüber Space.com. „Wir sahen die größten Ströme [energetischer Teilchen von der Sonne] während eines, wie viele Leute sagen würden, harmlosen Sturms.“

Verwandt: Wildes Sonnenwetter führt dazu, dass Satelliten aus der Umlaufbahn stürzen. Es wird noch schlimmer werden.

Sonnenstürme werden durch Wechselwirkungen der geladenen Teilchen, aus denen der Sonnenwind besteht, mit dem Erdmagnetfeld und der Atmosphäre unseres Planeten verursacht. Sonnenwind ist ein Strom ionisierten Gases, der ständig von der Sonne rieselt. Bei gewaltigen Eruptionen von Sonnenmaterial, den so genannten koronalen Massenauswürfen (CME), schleudert die Sonne große Mengen dieses Sonnenwinds auf einmal in den Weltraum.

Teilchen im Sonnenwind sind magnetisiert, und wenn diese riesigen Plasmaausbrüche mit dem entgegengesetzten Magnetpol auf die magnetischen Linien der Erde treffen, trennen sie vorübergehend den magnetischen Schutzschild des Planeten und dringen tief in die Atmosphäre ein. Reaktionen der Sonnenpartikel mit atmosphärischen Gasen lösen farbenfrohe Polarlichterscheinungen aus, induzieren aber auch elektrische Ströme, die bei schwersten Stürmen Stromnetze lahm legen und Telekommunikationsnetze stören können.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Sonnenstürme Satelliten beeinflussen. Wenn sich beispielsweise Sonnenwindpartikel mit Luftmolekülen vermischen, erwärmt sich die Atmosphäre und schwillt an, wodurch die Dichte der dünnen Gase in den oberen Schichten der Atmosphäre zunimmt. Raumfahrzeuge im niedrigen Erdorbit, einschließlich der Internationalen Raumstation, erfahren plötzlich mehr Widerstand und beginnen an Höhe zu verlieren.

Satelliten auf GPS-Höhe leiden unter einem anderen Einfluss des Weltraumwetters. Wenn die starken Sonnenwindstöße das Erdmagnetfeld durchbrechen, werden die geladenen Sonnenteilchen hinter den Magnetlinien des Planeten gefangen und injizieren zusätzliche Energie in den äußeren Strahlungsgürtel der Erde. In dieser Region, die sich zwischen Höhenlagen von etwa 8.000 Meilen (13.000 Kilometer) bis 28.000 Meilen (45.000 km) erstreckt, sind die Konzentrationen energiereicher Teilchen immer recht hoch. Ein Sonnensturm der richtigen Stärke kann die Dinge erheblich aufheizen, was zu einem dramatischen Anstieg der Zahl der „Killer“-Elektronen führt, Elektronen, die so energiereich sind, dass sie alle 10 Minuten um den Planeten sausen.

„[Diese Elektronen] haben eine sehr hohe Energie. Sie können Satellitenoberflächen durchdringen, sich in Isolatoren einbetten und im Grunde dort bleiben“, sagte Meredith. „Sobald sie sich in einem Isolator befinden, kann sich mit der Zeit eine Ladung aufbauen, die dann die Werte für einen Durchschlag überschreitet. Es kann zu einer elektrostatischen Entladung kommen, die elektronische Bauteile beschädigen kann.“

In manchen Fällen können die Killerelektronen irreparable Schäden verursachen.

Betreiber können ihre Raumfahrzeuge vor diesen Ereignissen schützen, indem sie gehärtete Technologien einsetzen oder Satelliten in den schützenden „Sicherheitsmodus“ versetzen, aber das führt zu Dienstunterbrechungen. Darüber hinaus zeigten Merediths Forschungen, dass die Killerelektronen noch lange nach dem Sonnensturm im Inneren der Satelliten verbleiben können.

„Das ist einer der Gründe, warum es manchmal schwierig ist, Anomalien (Raumfahrzeugen) zuzuordnen“, sagte Meredith. „Die Ladung kann sich aufbauen und bis zu dem Punkt kommen, an dem sie fast zusammenbricht, aber nicht wirklich zusammenbricht. Und dann, etwas später, könnte ein kleines Ereignis eintreten und eine Entladung verursachen, wenn auch nicht Natürlich wäre der Großteil dieser Belastung auf das Extremereignis zurückzuführen.“

Aber warum ist die GPS-Umlaufbahn während der schwersten Sonnenstürme relativ sicher? Meredith sagte, je stärker der Sturm, desto näher an der Oberfläche des Planeten sammeln sich die Killerelektronen an. Die schwerwiegendsten Ereignisse, die alle 20 oder 100 Jahre auftreten, treiben die Wolke energiereicher Teilchen in tiefere Orbitregionen etwa 5.000 Meilen (8.000 km) über der Erde. Diese Regionen werden beispielsweise von einigen Telekommunikationssatelliten genutzt, etwa denen des O3b-Netzwerks.

Connie Dillon, Leiterin für öffentliche Angelegenheiten beim Space Operations Command der US Space Force, das die GPS-Konstellation betreibt, teilte Space.com in einer E-Mail mit, dass die Space Force nicht nur die beste verfügbare, gehärtete, weltraumerprobte Technologie einsetzt, sondern auch weiterhin GPS-Störungen werden auf ein Minimum reduziert, da 13 Satelliten mehr eingesetzt werden, als für einen einwandfreien Service erforderlich ist.

„Die GPS-Konstellation ist nominell mit sechs Orbitalebenen konzipiert und wird betrieben, mit mindestens vier Satelliten pro Ebene“, schrieb Dillon. „Die 24-Slot-Anordnung stellt sicher, dass Benutzer von praktisch jedem Punkt auf dem Planeten aus mindestens vier Satelliten sehen können, aber die Space Force fliegt 37 Satelliten, um die Abdeckung aufrechtzuerhalten, wenn ein Basissatellit nicht mehr betriebsbereit ist.“

Es habe noch nie „ein Sonnenwetterereignis gegeben, das einen GPS-Satelliten irreparabel beschädigt hätte“, und die Space Force sei zuversichtlich, dass die Anzahl der verfügbaren redundanten Raumfahrzeuge die äußerst wichtige Konstellation selbst durch den schwersten Sonnensturm tragen würde, fügte Dillon hinzu.

Die US-amerikanische Navigations- und Positionierungskonstellation dient der Welt seit mehr als 40 Jahren. Es könnte jedoch bald auf die Probe gestellt werden, da sich der aktuelle Sonnenzyklus, der 25. seit Beginn der Aufzeichnungen, seinem Maximum nähert. Entgegen früheren Prognosen ist die Sonnenaktivität auf dem Weg, den höchsten Stand seit mehr als 20 Jahren zu erreichen, und das bedeutet, dass mehr Sonnenwind auf den Planeten und die Satelliten in seiner Umlaufbahn treffen wird.

Während die GPS-Konstellationssatelliten durch sorgfältiges Design vor der schädlichen Wirkung von Killerelektronen geschützt werden könnten, könnten die Signale, die diese Satelliten aussenden, damit Benutzer auf der Erde ihre Position ermitteln können, dennoch beeinträchtigt werden. Infolgedessen können starke Sonnenstürme insbesondere hochpräzise Ortungsdienste, wie sie beispielsweise in der Luftfahrt verwendet werden, unzuverlässig machen.

Die GPS-Satellitensignale passieren die Erdatmosphäre und erreichen Empfänger am Boden. Unterwegs treffen diese Strahlen auf die Ionosphäre des Planeten, eine Grenze zwischen der Atmosphäre und dem Vakuum des Weltraums in Höhen von 50 bis 400 Meilen (80 bis 640 km). Hier werden die dünnen Gase der oberen Atmosphäre ständig von intensivem Sonnenlicht getroffen, was dazu führt, dass Atome Elektronen ausstoßen und das Gas in ionisiertes Plasma verwandeln. Wenn Sonneneruptionen und koronale Massenauswürfe den Planeten treffen, wird die Ionosphäre aufgeladen. Seine Eigenschaften ändern sich, was sich dann auf die Ausbreitung von Satellitensignalen in dieser Region auswirkt.

„Eine Satellitenverbindung kann beeinträchtigt sein oder eine Verbindung kann für einen Moment verloren gehen“, sagte Juha-Pekka Luntama, der Leiter für Weltraumwetter bei der Europäischen Weltraumorganisation (ESA), gegenüber Space.com in einem früheren Interview. „Wenn Sie also einen GPS- oder GNSS-Empfänger (globales Navigationssatellitensystem) haben und Ihre Position betrachten und sich bei einem Sonnenereignis die Eigenschaften der oberen Atmosphäre ändern, wird ein Navigationsfehler angezeigt.“

Im Navigationssystem Ihres Autos mag der Fehler geringfügig erscheinen, so als würde die Position einer Kreuzung in 30 Metern Entfernung angezeigt, aber Systeme, die von Flugzeugen zur Landungsunterstützung verwendet werden, könnten völlig unbrauchbar werden.

„Wenn Sie gerade landen und plötzlich Störungen in Ihrem Navigationssystem auftreten, auch wenn diese nur kurzfristig sind, hilft das nicht“, sagte Luntama. „Als Pilot möchten Sie wissen, was passiert. Fällt Ihr System aus? Versucht jemand absichtlich, Sie zu stören? Oder handelt es sich nur um natürliche Hintergrundgeräusche?“

In den meisten Fällen sind solche Störungen eher von kurzer Dauer und die Systeme sind innerhalb weniger Minuten wieder betriebsbereit. Aber während der schwersten Sonnenstürme können Störungen viel länger andauern.

Im Februar dieses Jahres zwang ein relativ milder Sonnensturm die kanadischen Bohrinselbetreiber dazu, die Bohrungen mehrere Stunden lang auszusetzen, da die zur Positionierung ihrer Bohrkronen verwendete GPS-Technologie unzuverlässige Messwerte anzeigte.

„Ich arbeite seit fast 30 Jahren als Geologe an Bohrstandorten, und gestern Abend/heute Morgen haben wir zum ersten Mal den Bohrbetrieb aufgrund eines Sonnensturms kurzzeitig unterbrochen“, sagte der kanadische Explorationsgeologe Chris Mason damals in einem Facebook-Beitrag .

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Der Sturm, der die Störung im Februar verursachte, war der stärkste seit Jahren. Das Ereignis wurde als Sturm der Kategorie 3 auf der von der US-amerikanischen National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) entwickelten Fünf-Punkte-Skala eingestuft und überraschte die Prognostiker, da es auf zwei relativ kleine koronale Massenauswürfe folgte, die durch Ströme von Luft zusätzlich verstärkt wurden schneller Sonnenwind, der aus einem koronalen Loch, einer Öffnung im Magnetfeld der Sonne, strömt.

Solche koronalen Löcher sind die Art von Ereignissen, die in der GPS-Region die meisten Probleme verursachen könnten, sagte Meredith, da sie genau die richtige Intensität des Sonnenwinds erzeugen, um weiter von der Erde entfernte Teilchen mit Energie zu versorgen.

Der aktuelle Sonnenzyklus wird voraussichtlich entweder 2024 oder 2025 seinen Höhepunkt erreichen. Das bedeutet jedoch nicht, dass sich die Satellitenbetreiber in zwei Jahren entspannen können. Es wurde dokumentiert, dass einige der nachhaltigsten koronalen Löcher nach einem Höhepunkt des Sonnenzyklus auftauchen, sagte Meredith.

Die Studie wurde am 7. Juni in der Zeitschrift Space Weather veröffentlicht.

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Tereza ist eine in London ansässige Wissenschafts- und Technologiejournalistin, aufstrebende Romanautorin und Amateurturnerin. Die gebürtige Pragerin in der Tschechischen Republik verbrachte die ersten sieben Jahre ihrer Karriere als Reporterin, Drehbuchautorin und Moderatorin für verschiedene Fernsehprogramme des tschechischen öffentlich-rechtlichen Fernsehens. Später legte sie eine Karrierepause ein, um sich weiterzubilden, und ergänzte ihren Bachelor in Journalismus und ihren Master in Kulturanthropologie an der Prager Karls-Universität um einen Master in Naturwissenschaften an der International Space University in Frankreich. Sie arbeitete als Reporterin bei der Zeitschrift „Engineering and Technology“, war freiberuflich für eine Reihe von Publikationen tätig, darunter Live Science, Space.com, Professional Engineering, Via Satellite und Space News, und war als Wissenschaftsredakteurin für Mutterschutzbeiträge bei der Europäischen Weltraumorganisation tätig.

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