Solare Supersturm traf Mars: ESA-Raumsonden entdeckten Störungen in der Umlaufbahn und einen plötzlichen Anstieg von Elektronen in der Atmosphäre
Der größte Sonnensturm, der im Mai 2024 die Erde in mehr als zwei Jahrzehnten traf, hinterließ auch auf dem Mars deutliche Spuren, und eine neue Analyse von Daten der Europäischen Weltraumorganisation zeigt, dass die Reaktion des Roten Planeten außergewöhnlich stark war. Während der Sturm auf der Erde Polarlichter auslöste, die ungewöhnlich weit südlich sichtbar waren, sogar über Teilen Mexikos, führte dieselbe Welle solarer Aktivität auf dem Mars zu Störungen an Raumfahrzeugen, einem starken Anstieg der Strahlung und dramatischen Veränderungen in den oberen Schichten der Atmosphäre. Nach den von Forschern veröffentlichten Ergebnissen, die mit den Missionen Mars Express und ExoMars Trace Gas Orbiter verbunden sind, handelt es sich um die bislang stärkste aufgezeichnete Reaktion der marsianischen Ionosphäre auf diese Art von Weltraumwetter. Damit eröffnet sich auch ein neuer Einblick darin, wie die Sonne die Bedingungen auf einem Planeten formen kann, der keinen globalen schützenden Magnetmantel wie die Erde besitzt.
Die Episode selbst war nicht nur ein weiteres interessantes astronomisches Ereignis. Für Wissenschaftler, die den Mars beobachten, diente sie als seltenes natürliches Experiment in Echtzeit. Zwei ESA-Orbiter, Mars Express und ExoMars TGO, befanden sich zur richtigen Zeit am richtigen Ort und zeichneten die direkten Folgen eines starken Sonnenschlags auf. Das Strahlungsüberwachungsinstrument an Bord des TGO registrierte in nur 64 Stunden eine Dosis, die ungefähr 200 gewöhnlichen Tagen Strahlung entsprach. Gleichzeitig registrierten beide Raumfahrzeuge Computerfehler, was eine typische Folge intensiven Weltraumwetters ist, wenn hochenergetische Teilchen den Betrieb der Elektronik vorübergehend stören können. Laut ESA erholten sich die Systeme schnell, gerade weil sie für den Betrieb unter solchen Bedingungen ausgelegt waren.
Was über dem Mars geschah
Eine neue Studie, die am 06. März 2026 in der Zeitschrift
Nature Communications veröffentlicht wurde, zeigt, dass die obere Atmosphäre des Mars während dieses Supersturms buchstäblich mit Elektronen überflutet war. Der Hauptautor der Untersuchung, Jacob Parrott, ESA-Forscher und Mitarbeiter des Imperial College London, beschrieb diese Reaktion als die größte, die jemals auf dem Mars nach einem Sonnensturm aufgezeichnet wurde. Die Veränderungen waren weder symbolisch noch geringfügig. In zwei Atmosphärenschichten, in Höhen von ungefähr 110 und 130 Kilometern, stieg die Zahl der Elektronen um etwa 45 Prozent beziehungsweise sogar um 278 Prozent.
Diese Zahlen sind wichtig, weil die marsianische Ionosphäre, also der elektrisch geladene Teil der oberen Atmosphäre, eine entscheidende Rolle bei der Übertragung von Funksignalen, der Wechselwirkung des Planeten mit dem Sonnenwind und dem allmählichen Verlust der Atmosphäre in den Weltraum spielt. Wenn sich die Zahl geladener Teilchen in diesem Bereich plötzlich erhöht, verändert sich die Art und Weise, wie Radiowellen gebrochen, abgeschwächt oder vollständig blockiert werden. Das ist nicht nur eine theoretische Frage für Laboranalysen. Es ist ein praktisches Problem für künftige Missionen, für Orbiter, die Daten weiterleiten, und für Instrumente, die mit Radar die Oberfläche und den Untergrund des Mars untersuchen. Wenn die obere Atmosphäre zu stark mit Elektronen gesättigt ist, können die Signale, mit denen der Boden untersucht oder mit Robotern auf der Oberfläche kommuniziert wird, erheblich geschwächt werden.
Genau deshalb betrachten Wissenschaftler dieses Ereignis sowohl als Warnung als auch als Chance. Als Warnung, weil es bestätigt, wie stark solare Eruptionen technologische Operationen um einen Planeten ohne globale Magnetosphäre destabilisieren können. Als Chance, weil so umfangreiche Daten helfen, die Mechanismen genauer zu verstehen, durch die der Mars über Milliarden Jahre seine Atmosphäre und sein Wasser verliert. NASAs MAVEN-Mission zeigt bereits seit Jahren, dass der Sonnenwind und Sonnenstürme das Abtragen von Teilchen aus den oberen Schichten der marsianischen Atmosphäre beschleunigen, und die neuen ESA-Ergebnisse ergänzen dieses Bild um einen detaillierteren Einblick in die unmittelbare Reaktion der Ionosphäre auf extreme Bedingungen.
Warum Mars anders reagierte als die Erde
Dasselbe Sonnenereignis hatte auf der Erde und auf dem Mars sehr unterschiedliche Folgen. Auf der Erde wurde im Mai 2024 erstmals seit mehr als 20 Jahren ein geomagnetischer Sturm der Stufe G5 registriert, der höchsten Stufe auf der NOAA-Skala. Der Sturm löste spektakuläre Polarlichter in ungewöhnlich niedrigen geografischen Breiten aus und verursachte Störungen in Teilen der Kommunikations- und Navigationssysteme. Dennoch verfügt die Erde über ein starkes globales Magnetfeld, das einen großen Teil der energiereichen Teilchen ablenkt oder stoppt, bevor sie direkt auf die Atmosphäre treffen. Ein Teil dieser Teilchen wird zu den Polen gelenkt, wo Auroren entstehen, aber der Rest des Planeten bleibt deutlich besser geschützt als der Mars.
Mars besitzt einen solchen Schutz nicht. Er verfügt nur über lokalisierte Restmagnetfelder in seiner Kruste, aber nicht über einen globalen Magnetschild, der den gesamten Planeten umhüllen würde. Dadurch ist seine obere Atmosphäre dem Ansturm von Sonnenwind, Röntgenstrahlung und Teilchen aus koronalen Massenauswürfen viel direkter ausgesetzt. Wenn solches Material den Mars erreicht, stoßen neutrale Atome in der Atmosphäre mit energiereichen Teilchen zusammen, verlieren Elektronen und erzeugen eine verstärkte Population geladener Teilchen. Genau das wurde auch während des analysierten Supersturms registriert: Die Atmosphäre erwärmte sich nicht nur oder wurde leicht gestört, sondern wurde innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums chemisch und elektrisch stark umgeformt.
Dieser Unterschied zwischen den beiden Planeten ist auch aus einer breiteren wissenschaftlichen Perspektive wichtig. Der Vergleich von Erde und Mars ermöglicht ein besseres Verständnis des Weltraumwetters im Sonnensystem und genauere Risikobewertungen für künftige bemannte Missionen. Auf der Erde können starke Sonnenstürme Satelliten, Energieinfrastruktur, Funkkommunikation und Navigation gefährden. Auf dem Mars könnten ähnliche Ereignisse noch direktere Folgen für Elektronik, Kommunikationsverbindungen, Radaruntersuchungen und die Strahlenbelastung von Astronauten haben, die eines Tages vielleicht dort leben werden.
Neue Technik, die detaillierte Messungen ermöglichte
Eines der wichtigsten Elemente dieser Untersuchung ist nicht nur der Sturm selbst, sondern auch die Art und Weise, wie er beobachtet wurde. Die Wissenschaftler nutzten eine Technik, die als Radiookkultation bekannt ist und die ESA in den letzten Jahren in immer fortschrittlicherer Form zur Untersuchung der Marsatmosphäre entwickelt. In diesem Fall sandte Mars Express ein Funksignal zum TGO genau in dem Moment, als eines der Raumfahrzeuge hinter dem Mars-Horizont verschwand. Auf diesem Weg durchlief das Signal Schichten der Atmosphäre und wurde dabei gebrochen, also refraktiert. Aus diesen Veränderungen können die Forscher die Elektronendichte und andere Eigenschaften der Atmosphärenschichten berechnen, durch die das Signal gegangen ist.
Eine solche Methode ist in der Planetenwissenschaft nicht neu, aber ihre Anwendung zwischen zwei Raumfahrzeugen in der Umlaufbahn um Mars stellt einen wichtigen technologischen und operativen Fortschritt dar. Die klassische Radiookkultation wurde jahrzehntelang so genutzt, dass ein Raumfahrzeug ein Signal zur Erde sendet und die Veränderungen im Signal zur Analyse der Atmosphäre eines Planeten dienen. Erst in den letzten Jahren begann die ESA jedoch, systematischer einen Ansatz zu nutzen, bei dem zwei Orbiter während des Umlaufs um denselben Planeten gegenseitig Signale austauschen. Dadurch ergeben sich andere geometrische Messbedingungen, und es eröffnet sich die Möglichkeit einer detaillierteren Beobachtung von Teilen der Ionosphäre, die zuvor schwerer zugänglich waren.
Jacob Parrott und seine Mitarbeiter bestätigten die Ergebnisse zusätzlich durch den Vergleich mit Daten der NASA-Mission MAVEN, die speziell der Untersuchung der oberen Marsatmosphäre und ihrer Beziehung zum Sonnenwind gewidmet ist. Das ist wichtig, weil mehrere unabhängige Messquellen die Zuverlässigkeit der Schlussfolgerung erhöhen, dass der Supersturm im Mai tatsächlich rekordverdächtige Veränderungen der Elektronendichte verursachte. Zugleich zeigt dies auch den Wert internationaler Zusammenarbeit in der Weltraumforschung: Ohne gleichzeitige Beobachtungen der ESA- und NASA-Missionen wäre das Gesamtbild des Ereignisses deutlich ärmer gewesen.
Ein sehr glücklicher Moment für die Wissenschaft
Die Erforschung des Weltraumwetters bringt auch ein grundlegendes Problem mit sich: Die Sonne handelt nicht nach Zeitplan. Sonneneruptionen, Schübe energiereicher Teilchen und koronale Massenauswürfe ereignen sich unvorhersehbar, und Missionen um andere Planeten können nicht ständig in der idealen Position für jede Messung sein. Deshalb sind Daten wie diese oft das Ergebnis einer Kombination aus guter Vorbereitung und einer großen Portion Glück. Nach Angaben der ESA nutzten die Wissenschaftler die neue Technik nur etwa zehn Minuten, nachdem eine starke Sonneneruption den Mars getroffen hatte. Da solche Beobachtungen auf dem Mars derzeit nur einige Male pro Woche durchgeführt werden, war das Zusammentreffen des Beobachtungszeitpunkts mit dem Einschlag des Sonnensturms außergewöhnlich günstig.
Dem Team gelang es dabei, die Folgen von drei verschiedenen Sonnenereignissen zu erfassen, die Teil desselben Sturms waren, sich jedoch darin unterschieden, was sie in den interplanetaren Raum ausstießen. Ein Ereignis bezog sich auf eine Eruption, also einen starken Strahlungsimpuls, das zweite auf einen Schub hochenergetischer Teilchen und das dritte auf einen koronalen Massenauswurf, eine gewaltige Eruption magnetisierten Plasmas aus der äußeren Sonnenatmosphäre. Zusammen sandten diese Prozesse in Richtung Mars eine Kombination aus Röntgenstrahlung, schnellen Teilchen und magnetisch getragenem Plasmamaterial. Als diese Welle den Planeten erreichte, wurden die Folgen in der Ionosphäre rasch sichtbar.
Gerade in solchen Momenten wird deutlich, warum die Vorhersage und Überwachung des Weltraumwetters immer wichtiger werden. Das ist keine Disziplin, die nur der theoretischen Astrophysik vorbehalten ist. Es handelt sich um ein Gebiet, das die Sicherheit von Raumfahrzeugen, die Planung von Kommunikationsverbindungen, das Design von Instrumenten und künftige bemannte Missionen unmittelbar beeinflusst. Die ESA entwickelt daher auch umfassendere Kapazitäten zur Überwachung der Sonnenaktivität, und die Erfahrung aus dem Mai 2024 diente auch als Erinnerung daran, wie weitreichend die Folgen einer einzigen außergewöhnlich aktiven Sonnenphase sein können.
Was das für künftige Forschung und mögliche bemannte Missionen bedeutet
Die Ergebnisse der neuen Arbeit sprechen nicht nur von einem dramatischen Ereignis in der Vergangenheit, sondern auch von der Zukunft der Marsforschung. Wenn ein starker Sonnensturm in weniger als drei Tagen eine Strahlendosis erzeugen kann, die mit 200 normalen Tagen vergleichbar ist, und gleichzeitig Computerfehler auf Orbitern verursacht, dann muss jede ernsthafte Strategie für längerfristige robotische und bemannte Operationen mit solchen Episoden rechnen. Das gilt für die Konstruktion elektronischer Systeme, den Schutz der Besatzung, die Planung von Kommunikationsfenstern und den Einsatz von Radar oder anderen Instrumenten, die empfindlich auf den Zustand der Ionosphäre reagieren.
Besonders wichtig ist das Thema Strahlensicherheit. Die ESA hatte bereits früher gewarnt, dass die Reise von Astronauten zum Mars und ihr Aufenthalt in seiner Umgebung mit einer erheblichen Strahlenbelastung verbunden wären, und Ereignisse wie dieses bestätigen zusätzlich, dass die Gefahr nicht nur von langanhaltender Hintergrundstrahlung ausgeht, sondern auch von kurzen, aber sehr intensiven solaren Episoden. Für künftige Basen auf der Oberfläche des Planeten bedeutet das, dass Schutzsysteme, rechtzeitige Warnungen und operative Protokolle ein integraler Bestandteil der Mission sein müssen und kein nachträglicher Zusatz.
Gleichzeitig bleibt der wissenschaftliche Wert solcher Superstürme enorm. Mars hat heute eine dünne Hülle, eine kalte und trockene Oberfläche und nur Fragmente jener Bedingungen, die einst vielleicht das stabile Vorhandensein von flüssigem Wasser ermöglichten. Eine der Schlüsselfragen der Planetenwissenschaft lautet, wie dieser Planet im Laufe der Zeit einen großen Teil seiner Atmosphäre verloren hat. Jede neue Bestätigung, dass die Sonnenaktivität Energie und Teilchen stark in die oberen Schichten der Atmosphäre pumpen kann, hilft bei der Rekonstruktion der langfristigen Geschichte der klimatischen und atmosphärischen Entwicklung des Mars. Mit anderen Worten: Die Beobachtung heutiger Sonnenstürme hilft auch zu verstehen, warum der einstige Mars zu der Welt wurde, die wir heute kennen.
Die Sonne als ständiger Faktor von Risiko und Erkenntnis
Die Geschichte des solaren Supersturms, der Mars traf, zeigt, wie eng die Erforschung anderer Welten heute mit dem Verständnis der Sonne verbunden ist. Mars Express, bereits 2003 gestartet, und ExoMars TGO, der seit 2016 den Mars umkreist, dienten in diesem Fall nicht nur als Beobachter, sondern auch als empfindliche Zeugen einer gewaltsamen Weltraumumgebung. Ihre vorübergehenden Störungen sind eine Erinnerung daran, dass selbst die fortschrittlichste Technologie nicht außerhalb der Reichweite der Sonnenaktivität ist. Doch die Tatsache, dass die Instrumente weiterarbeiteten und dabei einen so wertvollen Datensatz aufzeichneten, zeigt auch die andere Seite der Geschichte: Jeder solche Sturm ist gleichzeitig Bedrohung und Wissensquelle.
Für Wissenschaftler ist besonders wichtig, dass sie jetzt besser verstanden haben, wie schnell und wie stark die marsianische Ionosphäre auf ein extremes Weltraumereignis reagieren kann. Für Ingenieure ist die Bestätigung wichtig, dass selbst kurzzeitige Episoden die Bedingungen für Funkverbindungen und empfindliche Elektronik verändern können. Und für die breite Öffentlichkeit ist dies eine weitere Erinnerung daran, dass der Weltraum kein stiller und statischer Raum ist, sondern eine dynamische Umgebung, in der die Sonne das Schicksal der Planeten unaufhörlich formt. Im Fall des Mars verursachte der Sturm vom Mai 2024 nicht nur kurzfristiges Chaos in der oberen Atmosphäre, sondern bot auch einen der bislang klarsten Einblicke darin, wie der Moment aussieht, wenn ein solarer Supersturm einen ungeschützten Planeten direkt trifft.
Quellen:- - Europäische Weltraumorganisation (ESA) – offizielle Veröffentlichungen zum Sonnensturm im Mai, zu den Missionen Mars Express und ExoMars TGO sowie zu den beobachteten Auswirkungen auf den Mars (Link)
- - Nature Communications – wissenschaftliche Veröffentlichung über die Auswirkungen des solaren Supersturms auf die marsianische Ionosphäre und den rekordverdächtigen Anstieg der Elektronendichte (Link)
- - NASA Science – Überblick über den stärksten Sonnensturm, der die Erde in zwei Jahrzehnten traf, und seine Auswirkungen auf die Weltraumumgebung (Link)
- - NOAA Space Weather Prediction Center – offizielle Bestätigung von G5-geomagnetischen Bedingungen während des Sonnensturms im Mai 2024 (Link)
- - NASA JPL / MAVEN – Beobachtungen von Aurora und den Folgen des Sonnensturms auf dem Mars im Mai 2024 (Link)
- - ESA-Blog To Mars and Back – Erklärung der Technik der gegenseitigen Radiookkultation zwischen Mars Express und TGO (Link)
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Erstellungszeitpunkt: 13 Stunden zuvor