Sternengeschichten Folge 702: Der Forbush-Effekt

Die Sonne fährt die Schilde hoch
<p>Sternengeschichten Folge 702: Der Forbush-Effekt</p>
<p>Wir Menschen auf der Erde spüren den Einfluss der Sonne jeden Tag; ohne ihre Strahlung könnten wir hier nicht leben. Auf den weiter entfernten Planeten strahlt sie aber nicht mehr so hell und im äußeren Sonnensystem ist es so kalt, als wäre die Sonne überhaupt nicht da. Aber sie ist da und ihr Einfluss reicht weiter, als man es sich vielleicht vorstellt. Und damit ist nicht die Gravitationskraft gemeint, die sie ausübt; die reicht theoretisch ja sogar unendlich weit. Das, was auf der Sonne passiert hat Auswirkungen auf das gesamte Sonnensystem und die Phänomene, die als "Forbush-Ereignis" bezeichnet werden, demonstrieren das wunderbar.</p>
<p>Bevor wir uns aber damit beschäftigen, wer oder was Forbush ist und was es dazu ereignisvolles zu erzählen gibt, müssen wir uns mit etwas beschäftigen, von dem ich schon ausführlich in Folge 317 gesprochen habe, nämlich der kosmischen Strahlung. Ich halte die Wiederholung kurz, aber im Prinzip besteht die kosmische Strahlung aus hochenergetischen Teilchen, deren Ursprung im Weltraum liegt. Wir wissen darüber Bescheid, seit sie 1912 vom österreichischen Physiker Victor Franz Hess entdeckt worden ist und man kann ihren Ursprung grob in zwei Quellen einteilen. Einmal ist da die Sonne, die nicht nur Licht abstrahlt, sondern auch ständig Teilchen aus ihren äußeren Gasschichten ins All schleudert. Einerseits tut sie das ständig und vergleichsweise ruhig, in Form des Sonnenwindes, von dem ich auch schon oft hier erzählt habe und andererseits macht sie das manchmal auch sehr dramatisch, wenn sie zum Beispiel koronale Massenauswürfe durchs Planetensystem schleudert. Die Ursache für diese Eruptionen liegen in der dynamischen Wechselwirkung des Gases aus dem die Sonne besteht und ihrem Magnetfeld. Ab und zu gibt es da quasi Kurzschlüsse, bei denen sehr viel Energie frei wird und große Mengen an solarer Materie ins All hinaus geworfen werden. Die Details sind komplex und noch nicht vollständig verstanden, aber der Punkt ist: Unser Stern schleudert mal mehr und mal weniger Teilchen mit großer Energie durch die Gegend. Es sind geladene Teilchen, vor allem Protonen und Elektronen, aber auch schwerere Atomkerne anderer chemischer Elemente. </p>
<p>Das ist allerdings nichts, was nur die Sonne macht. Alle anderen Sterne tun das ebenfalls und es gibt noch mehr astronomische Prozesse, die so eine Art der Teilchenstrahlung erzeugen. Sie entstehen bei Supernova-Explosionen, in der Umgebung schwarzer Löcher oder in den gewaltigen Jets, also riesigen Materieströmen, die aus den Zentren ferner Galaxien hinaus ins All schießen. All diese Prozesse (und noch mehr) sind für die zweite Komponente der kosmischen Strahlung verantwortlich, die galaktische kosmische Strahlung. Diese Teilchen haben im Allgemeinen eine sehr viel höhere Energie als die in der solaren kosmischen Strahlung, aber die eine wie die andere ist äußerst unangenehm für uns Menschen. Wenn Teilchen mit so viel Energie auf die Atome in unserem Körper treffen, dann können sie dort Reaktionen auslösen; Atome können zerfallen; Moleküle ihre Bindung verlieren, und so weiter. Wenn wir zulange der kosmischen Strahlung ausgesetzt sind, dann werden wir krank oder sterben. Aber wenn wir uns nicht im Weltall aufhalten, dann schützt uns zum Glück unsere Atmosphäre. Die kosmische Strahlung trifft zuerst auf die Atome der Lufthülle, bevor sie uns erreichen kann. Auch dort oben, hoch über unseren Köpfen, löst sie atomare Reaktionen aus; lässt Stickstoff- oder Sauerstoffatome zerfallen und die entstehenden Zerfallsprodukte zerfallen weiter, können neue Zerfallsreaktionen auslösen, und so weiter. Oder anders gesagt: Jedes Teilchen der kosmischen Strahlung das auf die Atmosphäre der Erde trifft, löst einen Schauer aus Teilchen aus, die "Sekundärstrahlung" genannt wird und das was davon am Ende noch auf dem Erdboden ankommt, ist für uns weitestgehend ungefährlich.</p>
<p>Das bedeutet, dass wir die kosmische Strahlung von der Erde aus nur indirekt über die Sekundärstrahlung messen können. Aber genau das hat man in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts gemacht. Nach der Entdeckung des Phänomens 1912 hat man natürlich versucht, möglichst viel darüber und ihren Ursprung herauszufinden. Parallel hat man auch immer besser verstanden, wie die Sonne funktioniert. In Folge 10 haben ich vor langer Zeit schon mal über das Sonnenwetter gesprochen; so nennt man alle Phänomene, die mit der elektrisch-magnetischen Aktivität der Sonne zu tun haben. Wenn es da zum Beispiel einen wirklich heftigen Kurzschluss gibt und große Mengen an Material bei einem koronalen Massenauswurf in Richtung Erde geschleudert werden, kann das durchaus dramatische Folgen bei uns haben. Die können ästhetisch anspruchsvoll sein, weil die Interaktion zwischen den geladenen Teilchen von der Sonne und dem irdischen Magnetfeld zum Beispiel Polarlichter verursacht. Die Folgen können aber auch katastrophal sein, wenn die solare kosmische Strahlung Satelliten ausfallen lässt oder die kurzfristige Störung im Erdmagnetfeld Stromleitungen kollabieren lässt. Einer, der sich ab den 1930er Jahren intensiv mit all diesen Phänomenen beschäftigt hat, war der amerikanische Physiker Scott Forbush. 1937 hat er einen kurzen Aufsatz veröffentlicht, mit dem Titel "Über die Effekte in der Intensität der kosmischen Strahlung, die während des jüngsten magnetischen Sturms beobachtet wurden". Mit "magnetischer Sturm" ist das gemeint, was ich vorhin kurz angedeutet habe: Wenn die Sonne bei einem koronalen Massenauswurf jede Menge geladene Teilchen mit hoher Geschwindigkeit und Energie in Richtung Erde schleudert, dann bringt das unser Magnetfeld kurzfristig durcheinander. Das kann man messen und so ein Ereignis hat zwischen 25. und 30. April 1937 stattgefunden. Forbush ist aber aufgefallen, dass es da nicht nur Variationen beim Magnetfeld gegeben hat. Zwei andere Messstationen; eine in Maryland in den USA und eine in Huancayo in Peru haben die Intensität der kosmischen Strahlung überwacht. Die Intensität der kosmischen Strahlung ist während des magnetischen Sturms um vier Prozent geringer geworden, was weit über den üblichen Variationen gelegen ist. Es kann Zufall sein, dass die Abnahme der kosmischen Strahlung zeitgleich mit dem magnetischen Sturm aufgetreten ist. Oder auch nicht. Forbush schreibt am Ende seiner Arbeit: "Auch wenn die hier vorgelegten Belege für sich genommen nicht als schlüssiger Beweis dafür gelten können, dass die beobachteten Änderungen in der Intensität der kosmischen Strahlung auf das äußere Feld des magnetischen Sturms zurückzuführen sind, so scheint diese Hypothese doch die vernünftigste zu sein." In einer längeren Arbeit aus dem Jahr 1938 hat Forbush dass sehr viel genauer untersucht und Daten weiterer magnetischer Stürme in seine Analyse inkludiert. Das Fazit: Nicht alle magnetische Stürme führen zu einem Rückgang der kosmischen Strahlung aber bei vielen ist das der Fall und dieser Rückgang kann global gemessen werden, egal wo auf der Welt die Messstation steht.</p>
<p>Mittlerweile können wir das Phänomen, das Forbush damals entdeckt hat, genauer einordnen. Wenn die Sonne bei einer großen Eruption eine große Wolke aus geladenen Teilchen ihres Plasmas ins All schleudert, dann verschwindet die nicht einfach so. Sie bewegt sich durch das ganze Sonnensystem hindurch. Wenn sie dabei in der Nähe der Erde vorbei kommt, wirkt sie für einige Zeit wie eine Art von Schutzschild. Es sind ja elektrisch geladene Teilchen, die da durch die Gegend geschleudert werden und die können die ebenfalls elektrisch geladenen Teilchen der galaktischen kosmischen Strahlung abhalten. Solange das Schutzschild da ist, trifft also weniger galaktische kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre und unsere Detektoren am Boden messen einen Rückgang der Sekundärstrahlung. Wie stark dieser Rückgang ausfällt hängt davon ab, wie groß die Sonneneruption war und wie stark das Magnetfeld ist, dass die geladenen Teilchen der ausgestoßenen Plasmawolke erzeugen. Und es hängt natürlich auch davon ab, wie nahe diese Wolke an der Erde vorbei kommt. Typischerweise beträgt der Rückgang einige Prozent, kann aber in besonderen Fällen auch 10 bis 20 Prozent betragen. Das ganze passiert schnell; es braucht nur ein paar Stunden, bis sich die Intensität der kosmischen Strahlung verringert. Danach dauert es dann ein paar Tage, bis alles wieder den Normalzustand erreicht hat und das Forbush-Ereignis, wie das Phänomen mittlerweile genannt wird, vorbei ist.</p>
<p>Vielleicht ist dem einen oder der anderen an diesem Punkt ein Gedanke gekommen: Ich habe vorher gesagt, dass es zwei Komponenten der kosmischen Strahlung gibt; die die von der Sonne kommt und die galaktische, die von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangt. Koronale Massenauswürfe, die Forbush-Ereignisse verursachen sind eine Ursache für die solare kosmische Strahlung. Sollte man da bei so einer Sonneneruption nicht MEHR kosmische Strahlung erwarten? Ja und Nein. Wenn ein koronaler Massenauswurf stattfindet und auf die Erde trifft, dann führt das natürlich zu einer kurzfristigen Erhöhung der Intensität der kosmischen Strahlung. Das passiert schnell und es passiert anfangs vor allem nur an bestimmten Orten der Erde, weil die Teilchen von der Sonne sich entlang der Magnetfeldlinien der Erde bewegen. Das gilt nicht nur für koronale Massenauswürfe, sondern generell für die solare kosmische Strahlung. So ein Ausbruch auf der Sonne verursacht also einen kurzen Anstieg kosmischer Strahlung, der nicht überall auf der Erde gemessen werden kann. Die galaktische kosmische Strahlung dagegen kommt aus allen Richtungen zu uns. Wenn es bei dieser Komponente Veränderungen gibt, dann wirken die sich überall auf der Erde aus. Das heißt, man kann die beiden Teile der kosmischen Strahlung gut unterscheiden und ein Forbush-Ereignis betrifft nur eine Verringerung der galaktischen kosmischen Strahlung. </p>
<p>Was fangen wir mit diesem Wissen an? Einerseits ist es natürlich gut, wenn wir Bescheid darüber wissen, wie sich die kosmische Strahlung verhält und verändert, damit wir unsere Satelliten, Raumfahrzeuge und vielleicht auch die Menschen schützen können, die sich gerade im Weltall befinden. Andererseits sind solche Forbush-Ereignisse aber auch ein Beispiel dafür, wie nicht nur die Sonne sondern die gesamte Heliosphäre funktioniert. So bezeichnet man den gesamten magnetischen Einflussbereich der Sonne und der reicht bis weit über den Bereich der bekannten Planeten hinaus. Die Grenze der Heliosphäre liegt grob 100 mal weiter von der Sonne entfernt als die Erde, also noch weit hinter den Umlaufbahnen von Neptun, Pluto und den restlichen Asteroiden des Kuiper-Gürtels. Und ein Forbush-Ereignis muss nicht zwingend nur auf der Erde stattfinden. Wir haben den selben Effekt auch auf dem Mars gemessen und auch mit den Instrumenten von Raumsonden wie Pioneer 10 und Voyager 1 und 2, die sich weit im äußeren Sonnensystem befinden und die Grenze der Heliosphäre mittlerweile überschritten haben. Forbush-Ereignisse zeigen uns, dass die Sonne nicht nur ein helles Licht am Himmel ist, sondern ein dynamischer Himmelskörper der das ganze Sonnensystem im Griff hat. Die atomare Reaktionen im Inneren unsers Sterns, die chaotischen Ströme des geladenen Plasmas und die wilde Dynamik seines Magnetfelds haben Einfluss auf die fernsten Regionen im Sonnensystem. Die geladenen Teilchen die die Sonne durch die Gegend schleudert, verändern was von außerhalb des Sonnensystems zu uns gelangen kann oder nicht. Forbush-Ereignisse zeigen uns in aller Deutlichkeit die Dynamik der Sonne und die Heliosphäre in Aktion. </p>