Störung elektrischer SystemeBearbeiten
Es wird vermutet, dass ein geomagnetischer Sturm in der Größenordnung des Sonnensturms von 1859 heute Schäden in Milliarden- oder sogar Billionenhöhe an Satelliten, Stromnetzen und Funkkommunikation verursachen würde und elektrische Stromausfälle in massivem Ausmaß hervorrufen könnte, die möglicherweise wochen-, monate- oder sogar jahrelang nicht repariert werden können. Solche plötzlichen Stromausfälle können die Nahrungsmittelproduktion bedrohen.
StromnetzBearbeiten
Wenn sich Magnetfelder in der Nähe eines Leiters wie z.B. eines Drahtes bewegen, wird ein geomagnetisch induzierter Strom in dem Leiter erzeugt. Dies geschieht im großen Stil bei geomagnetischen Stürmen (der gleiche Mechanismus beeinflusste auch Telefon- und Telegrafenleitungen vor der Glasfasertechnik, siehe oben) auf allen langen Übertragungsleitungen. Lange Übertragungsleitungen (viele Kilometer Länge) sind also durch diesen Effekt gefährdet. Dies betrifft vor allem die Betreiber in China, Nordamerika und Australien, insbesondere bei modernen Hochspannungsleitungen mit geringem Widerstand. Das europäische Netz besteht hauptsächlich aus kürzeren Übertragungsstrecken, die weniger anfällig für Schäden sind.
Die durch geomagnetische Stürme in diesen Leitungen induzierten (nahezu gleichgerichteten) Ströme sind schädlich für elektrische Übertragungseinrichtungen, insbesondere für Transformatoren: Sie führen zur Sättigung des Kerns, schränken deren Leistung ein (und lösen verschiedene Sicherheitseinrichtungen aus) und führen zur Erwärmung von Spulen und Kernen. In extremen Fällen kann diese Hitze sie außer Betrieb setzen oder zerstören und sogar eine Kettenreaktion auslösen, die Transformatoren überlasten kann. Die meisten Generatoren sind über Transformatoren mit dem Netz verbunden, wodurch sie von den induzierten Strömen im Netz isoliert sind, was sie viel weniger anfällig für Schäden durch geomagnetisch induzierten Strom macht. Ein betroffener Transformator wirkt jedoch wie eine unsymmetrische Last auf den Generator, was zu einem Gegenstrom im Stator und folglich zu einer Erwärmung des Rotors führt.
Nach einer Studie der Metatech Corporation würde ein Sturm mit einer vergleichbaren Stärke wie 1921 mehr als 300 Transformatoren zerstören und mehr als 130 Millionen Menschen in den Vereinigten Staaten ohne Strom lassen, was Kosten in Höhe von mehreren Billionen Dollar verursachen würde. Das Ausmaß der Unterbrechung ist umstritten, wobei einige Zeugenaussagen im Kongress auf einen potenziell unbegrenzten Stromausfall hindeuten, bis Transformatoren ersetzt oder repariert werden können. Diesen Vorhersagen widerspricht ein Bericht der North American Electric Reliability Corporation, der zu dem Schluss kommt, dass ein geomagnetischer Sturm zwar eine vorübergehende Instabilität des Netzes, aber keine weitreichende Zerstörung von Hochspannungstransformatoren verursachen würde. Der Bericht weist darauf hin, dass der viel zitierte Netzzusammenbruch in Quebec nicht durch überhitzende Transformatoren verursacht wurde, sondern durch das fast gleichzeitige Auslösen von sieben Relais.
Neben den Transformatoren, die durch die Auswirkungen eines geomagnetischen Sturms verwundbar sind, können auch Elektrizitätsunternehmen indirekt durch den geomagnetischen Sturm betroffen sein. Zum Beispiel können Internetdienstleister während geomagnetischer Stürme ausfallen (und/oder lange Zeit danach nicht betriebsbereit sein). Stromversorgungsunternehmen haben möglicherweise Geräte, die eine funktionierende Internetverbindung benötigen, um zu funktionieren, so dass während des Zeitraums, in dem der Internetdienstanbieter ausfällt, auch der Strom nicht verteilt werden kann.
Durch den Empfang von Warnungen vor geomagnetischen Stürmen (z. B. durch das Space Weather Prediction Center; über Weltraumwettersatelliten wie SOHO oder ACE) können Stromversorgungsunternehmen Schäden an Stromübertragungsanlagen minimieren, indem sie Transformatoren vorübergehend abschalten oder vorübergehende Stromausfälle herbeiführen. Es gibt auch vorbeugende Maßnahmen, einschließlich der Verhinderung des Einströmens von GICs in das Netz durch die Nullleiter-Erde-Verbindung.
Kommunikation
Hochfrequente (3-30 MHz) Kommunikationssysteme nutzen die Ionosphäre, um Funksignale über große Entfernungen zu reflektieren. Ionosphärenstürme können die Funkkommunikation in allen Breitengraden beeinflussen. Einige Frequenzen werden absorbiert und andere reflektiert, was zu schnell schwankenden Signalen und unerwarteten Ausbreitungswegen führt. Fernseh- und kommerzielle Radiosender sind von der Sonnenaktivität wenig betroffen, aber Boden-Luft-, Schiff-Land-, Kurzwellen- und Amateurfunk (vor allem die Bänder unter 30 MHz) werden häufig gestört. Radiobetreiber, die HF-Bänder nutzen, sind auf solare und geomagnetische Warnungen angewiesen, um ihre Kommunikationskreise aufrechtzuerhalten.
Militärische Detektions- oder Frühwarnsysteme, die im Hochfrequenzbereich arbeiten, sind ebenfalls von der Sonnenaktivität betroffen. Das Over-the-Horizon-Radar lässt Signale an der Ionosphäre abprallen, um den Start von Flugzeugen und Raketen aus großer Entfernung zu überwachen. Während geomagnetischer Stürme kann dieses System durch Funklöcher stark beeinträchtigt werden. Auch einige U-Boot-Erkennungssysteme verwenden die magnetischen Signaturen von U-Booten als einen Eingang für ihre Ortungssysteme. Geomagnetische Stürme können diese Signale maskieren und verzerren.
Die Federal Aviation Administration erhält routinemäßig Warnungen vor solaren Funkausbrüchen, damit sie Kommunikationsprobleme erkennen und unnötige Wartungsarbeiten vermeiden kann. Wenn ein Flugzeug und eine Bodenstation auf die Sonne ausgerichtet sind, kann es auf den Funkfrequenzen der Flugsicherung zu hohen Störpegeln kommen. Dies kann auch bei der UHF- und SHF-Satellitenkommunikation passieren, wenn sich eine Bodenstation, ein Satellit und die Sonne in einer Linie befinden. Um unnötige Wartungsarbeiten an Satellitenkommunikationssystemen an Bord von Flugzeugen zu vermeiden, bietet AirSatOne einen Live-Feed für geophysikalische Ereignisse vom NOAA Space Weather Prediction Center. Mit dem Live-Feed von AirSatOne können Benutzer beobachtete und vorhergesagte Weltraumstürme sehen. Geophysikalische Warnungen sind wichtig für Flugbesatzungen und Wartungspersonal, um festzustellen, ob eine bevorstehende Aktivität oder Geschichte Auswirkungen auf die Satellitenkommunikation, GPS-Navigation und HF-Kommunikation hat oder haben wird.
In der Vergangenheit wurden Telegrafenleitungen von geomagnetischen Stürmen beeinflusst. Telegrafen benutzten einen einzigen langen Draht für die Datenleitung, der sich über viele Meilen erstreckte, die Erde als Rückleitung benutzte und mit Gleichstrom aus einer Batterie gespeist wurde; dies machte sie (zusammen mit den unten erwähnten Stromleitungen) anfällig für die Beeinflussung durch die vom Ringstrom verursachten Schwankungen. Die durch den geomagnetischen Sturm induzierte Spannung/Strom konnte das Signal vermindern, wenn sie von der Batteriepolarität abgezogen wurde, oder zu übermäßig starken und störenden Signalen führen, wenn sie dazu addiert wurde; einige Betreiber lernten, die Batterie abzuklemmen und sich auf den induzierten Strom als Stromquelle zu verlassen. In extremen Fällen war der induzierte Strom so hoch, dass die Spulen auf der Empfangsseite in Flammen aufgingen, oder die Bediener erhielten Stromschläge. Geomagnetische Stürme beeinträchtigen auch Langstrecken-Telefonleitungen, einschließlich Unterseekabel, sofern sie nicht aus Glasfaser bestehen.
Schäden an Kommunikationssatelliten können nicht-terrestrische Telefon-, Fernseh-, Radio- und Internetverbindungen stören. Die National Academy of Sciences berichtete 2008 über mögliche Szenarien weitreichender Störungen während des Sonnengipfels 2012-2013.
Navigationssysteme
Das Globale Navigationssatellitensystem (GNSS) und andere Navigationssysteme wie LORAN und das inzwischen stillgelegte OMEGA werden negativ beeinflusst, wenn die Sonnenaktivität ihre Signalausbreitung stört. Das OMEGA-System bestand aus acht Sendern, die über die ganze Welt verteilt waren. Flugzeuge und Schiffe nutzten die sehr niederfrequenten Signale dieser Sender, um ihre Position zu bestimmen. Während Sonnenereignissen und geomagnetischen Stürmen lieferte das System den Navigatoren Informationen, die bis zu mehreren Meilen ungenau waren. Wären die Navigatoren gewarnt worden, dass ein Protonen-Ereignis oder ein geomagnetischer Sturm im Gange war, hätten sie auf ein Backup-System umschalten können.
GNSS-Signale werden beeinträchtigt, wenn die Sonnenaktivität plötzliche Schwankungen in der Dichte der Ionosphäre verursacht, was dazu führt, dass die Satellitensignale szintillieren (wie ein funkelnder Stern). Das Flimmern von Satellitensignalen während ionosphärischer Störungen wird bei HAARP während Experimenten zur Modifikation der Ionosphäre untersucht. Es wurde auch am Radio-Observatorium in Jicamarca untersucht.
Eine Technologie, die verwendet wird, um GPS-Empfängern zu ermöglichen, in Gegenwart einiger verwirrender Signale weiter zu arbeiten, ist Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM). RAIM basiert jedoch auf der Annahme, dass ein Großteil der GPS-Konstellation ordnungsgemäß funktioniert und ist daher weit weniger nützlich, wenn die gesamte Konstellation durch globale Einflüsse wie geomagnetische Stürme gestört wird. Selbst wenn RAIM in diesen Fällen einen Integritätsverlust erkennt, ist es möglicherweise nicht in der Lage, ein brauchbares, zuverlässiges Signal zu liefern.
Satelliten-Hardware-Schaden
Geomagnetische Stürme und erhöhte solare Ultraviolett-Emissionen heizen die obere Atmosphäre der Erde auf, wodurch sie sich ausdehnt. Die erwärmte Luft steigt auf, und die Dichte in der Umlaufbahn von Satelliten bis zu einer Höhe von etwa 1.000 km nimmt deutlich zu. Dies führt zu einem erhöhten Luftwiderstand, wodurch die Satelliten langsamer werden und ihre Umlaufbahn leicht verändern. Satelliten in niedriger Erdumlaufbahn, die nicht wiederholt auf eine höhere Umlaufbahn gebracht werden, fallen langsam und verglühen schließlich.
Die Zerstörung von Skylab im Jahr 1979 ist ein Beispiel für den vorzeitigen Wiedereintritt eines Raumfahrzeugs in die Erdatmosphäre als Folge einer unerwartet hohen Sonnenaktivität. Während des großen geomagnetischen Sturms im März 1989 mussten vier Navigationssatelliten der Navy für bis zu einer Woche außer Betrieb genommen werden, das U.S. Space Command musste für über 1000 betroffene Objekte neue Bahnelemente aufstellen und der Satellit der Solar Maximum Mission fiel im Dezember desselben Jahres aus der Umlaufbahn.
Die Anfälligkeit der Satelliten hängt auch von ihrer Position ab. Die Südatlantik-Anomalie ist ein gefährlicher Ort für einen Satelliten.
Da die Technologie es ermöglicht hat, die Komponenten von Raumfahrzeugen kleiner zu machen, sind ihre miniaturisierten Systeme zunehmend anfällig für die energiereicheren solaren Teilchen geworden. Diese Teilchen können Mikrochips physisch beschädigen und Softwarebefehle in Satellitencomputern verändern.
Ein weiteres Problem für Satellitenbetreiber ist die Differenzladung. Während geomagnetischer Stürme steigen die Anzahl und die Energie von Elektronen und Ionen an. Wenn ein Satellit durch diese energiegeladene Umgebung fliegt, laden die geladenen Teilchen, die auf das Raumfahrzeug treffen, Teile des Raumfahrzeugs differentiell auf.
Bulk Charging (auch Deep Charging genannt) tritt auf, wenn energiereiche Teilchen, hauptsächlich Elektronen, die äußere Hülle eines Satelliten durchdringen und ihre Ladung in den inneren Teilen des Satelliten deponieren. Wenn sich in einer Komponente genügend Ladung ansammelt, kann diese versuchen, sich durch Entladung in andere Komponenten zu neutralisieren. Diese Entladung ist potentiell gefährlich für die elektronischen Systeme des Satelliten.
GeophysikEdit
Das Magnetfeld der Erde wird von Geophysikern genutzt, um unterirdische Gesteinsstrukturen zu bestimmen. Meistens sind diese Geodäten auf der Suche nach Öl-, Gas- oder Mineralvorkommen. Das können sie nur, wenn das Erdfeld ruhig ist, so dass echte magnetische Signaturen erkannt werden können. Andere Geophysiker ziehen es vor, während geomagnetischer Stürme zu arbeiten, wenn starke Schwankungen der normalen elektrischen Ströme im Erdboden es ihnen ermöglichen, unterirdische Öl- oder Mineralstrukturen zu erkennen. Diese Technik wird Magnetotellurik genannt. Aus diesen Gründen verwenden viele Vermesser geomagnetische Warnungen und Vorhersagen, um ihre Kartierungsaktivitäten zu planen.
PipelinesEdit
Schnell schwankende geomagnetische Felder können geomagnetisch induzierte Ströme in Pipelines erzeugen. Dies kann für Pipeline-Ingenieure mehrere Probleme verursachen. Pipeline-Durchflussmesser können fehlerhafte Durchflussinformationen übermitteln und die Korrosionsrate der Pipeline kann dramatisch erhöht werden.
Strahlungsgefahren für den MenschenEdit
Die Erdatmosphäre und die Magnetosphäre ermöglichen einen ausreichenden Schutz auf Bodenhöhe, aber Astronauten sind einer potenziell tödlichen Strahlenvergiftung ausgesetzt. Das Eindringen von hochenergetischen Teilchen in lebende Zellen kann Chromosomenschäden, Krebs und andere gesundheitliche Probleme verursachen. Große Dosen können unmittelbar tödlich sein. Besonders gefährlich sind solare Protonen mit Energien von mehr als 30 MeV.
Solare Protonenereignisse können auch an Bord von Flugzeugen, die in großen Höhen fliegen, zu erhöhter Strahlung führen. Obwohl diese Risiken gering sind, kann die Flugbesatzung wiederholt exponiert werden, und die Überwachung von solaren Protonenereignissen durch Satelliteninstrumente ermöglicht es, die Exposition zu überwachen und zu bewerten und eventuell Flugrouten und Flughöhen anzupassen, um die absorbierte Dosis zu senken.
Wirkung auf Tiere
Wissenschaftler untersuchen immer noch, ob Tiere betroffen sind, einige vermuten, dass Sonnenstürme Wale dazu veranlassen, sich an den Strand zu legen. Einige haben spekuliert, dass wandernde Tiere, die die Magnetorezeption zur Navigation nutzen, wie Vögel und Honigbienen, ebenfalls betroffen sein könnten.