ESA-Marssonden verfolgen gewaltigen Sonnen-Supersturm

Als ein massiver solarer Supersturm im Mai 2024 durch das Sonnensystem fegte, bot die Flotte der Mars-Orbiter der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) einen seltenen Logenplatz auf die Intensität des Ereignisses. Dabei zeigte sich, dass die obere Atmosphäre des Roten Planeten extrem aufgeladen wurde, während die Sensoren der Raumsonde erhebliche strahlungsbedingte Störungen erlitten. Laut einer neuen Studie, die am 5. März 2026 in Nature Communications veröffentlicht wurde, dokumentierten Mars Express und der ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) die dramatischste atmosphärische Reaktion auf solare Aktivität, die jemals an dem Planeten aufgezeichnet wurde, einschließlich eines Anstiegs der Elektronendichte um fast 300 %.

Der solare Supersturm vom Mai 2024

Der solare Supersturm seinen Ursprung in der hyperaktiven Sonnenfleckenregion AR3664, die eine Serie von X-Class-Flares und koronalen Massenauswürfen (CMEs) auslöste, die erst die Erde trafen, bevor sie den Mars erreichten. Während die Erde geomagnetische Stürme der Stufe G5 und leuchtintensive Polarlichter erlebte, setzte der Sturm seine Reise durch das innere Sonnensystem fort und traf nur Tage später die Marsumgebung mit schnell fließendem, magnetisiertem Plasma und hochenergetischen Röntgenstrahlen, die die dünne Atmosphäre des Planeten überfluteten.

Der Zeitplan des Eintreffens des Sturms wurde mit beispielloser Präzision von den ESA-Monitoren für das Weltraumwetter im Deep Space erfasst. Der ExoMars Trace Gas Orbiter registrierte in nur 64 Stunden eine Strahlungsdosis, die 200 Tagen „normaler“ Exposition entspricht. Der Hauptautor Jacob Parrott, ein ESA Research Fellow, stellte fest, dass die Auswirkungen bemerkenswert waren und die stärkste Reaktion auf einen Sonnensturm darstellten, die jemals am Roten Planeten beobachtet wurde. Dieses Ereignis ermöglichte es den Forschern, Daten mehrerer Missionen zu synchronisieren, darunter auch die der NASA-Sonde MAVEN, um eine umfassende Karte davon zu erstellen, wie sich solare Energie durch das Marssystem ausbreitet.

Warum traten bei den Mars-Raumsonden während des Sonnenereignisses Störungen auf?

Die Mars-Raumsonden wiesen Störungen auf, da hochenergetische Protonen des solaren Supersturms physisch auf empfindliche elektronische Komponenten trafen, insbesondere auf die für die Navigation verwendeten Sternsensoren. Diese energiereichen Teilchen erzeugten einen „Schneeeffekt“ in den Sensordaten, der die Fähigkeit der Software überforderte, Sterne von Strahlungstreffern zu unterscheiden. Obwohl die Missionen Mars Express und TGO mit strahlungsresistenten Komponenten konstruiert sind, löste die schiere Menge an Partikeln vorübergehende Computerfehler und Verzögerungen bei der Datenverarbeitung aus.

Die technische Erklärung für diese Störungen liegt in den „Single-Event Upsets“, die durch solare energetische Teilchen verursacht werden. Als der Sturm seinen Höhepunkt erreichte, registrierten das ASPERA-4-Instrument auf Mars Express und die Strahlungsmonitore auf TGO ein Bombardement von Teilchen, das so dicht war, dass es die Orbitalsensoren zu „blenden“ drohte. „Die Raumschiffe wurden mit Blick auf diese Gefahren gebaut“, erklärte Jacob Parrott und wies darauf hin, dass spezielle Systeme zum Erkennen und Beheben dieser Fehler es den Orbitern ermöglichten, sich schnell zu erholen. Diese Widerstandsfähigkeit ist ein Beweis für die Ingenieurskunst der ESA, unterstreicht jedoch die anhaltende Anfälligkeit digitaler Systeme in der rauen Umgebung des tiefen Weltraums während des Solar Maximums.

Wie wirkt sich das Fehlen eines Magnetfeldes auf dem Mars auf die Auswirkungen von Sonnenstürmen aus?

Das Fehlen eines globalen Magnetfeldes auf dem Mars ermöglicht es den Teilchen des Sonnensturms, direkt in die obere Atmosphäre einzudringen, was zu einer weit verbreiteten Ionisierung und einer atmosphärischen Aufblähung führt. Im Gegensatz zur Erde, die über einen magnetosphärischen Schutzschild verfügt, der geladene Teilchen zu den Polen ablenkt, bekommt die Mars-Ionosphäre die volle Wucht des Sonnenwinds zu spüren. Dies führt zu einem „hochgeladenen“ Zustand über den gesamten Planeten hinweg anstatt zu lokal begrenzten Polarlichterscheinungen.

Dieser grundlegende Unterschied in der planetaren Verteidigung bedeutet, dass das Weltraumwetter einen viel invasiveren Einfluss auf den Mars hat. Während des Ereignisses im Mai 2024 interagierte der Sonnenwind direkt mit der Mars-Ionosphäre, was dazu führte, dass sich die Atmosphäre „aufblähte“. Dieses Phänomen erhöht den orbitalen Luftwiderstand für Satelliten in niedrigen Höhen und verändert die Chemie der oberen Schichten. Da es keinen magnetischen „Schirm“ gibt, erfolgt der Energieeintrag global, wobei Elektronen von neutralen Atomen weggerissen werden und ein dichter Plasmaschleier entsteht, der noch Tage nach dem ursprünglichen Flare bestehen bleiben kann.

Atmosphärische Aufladung und Teilchenflucht

Der beeindruckendste Befund der Nature Communications-Studie war die Quantifizierung der atmosphärischen Aufladung, bei der die Elektronenwerte in Höhen von 130 km um sage und schreibe 278 % anstiegen. Dieser Anstieg stellt die höchste jemals in der Mars-Ionosphäre aufgezeichnete Elektronendichte dar. Durch den Einsatz einer Technik namens Radiookkultation – bei der Mars Express ein Signal an TGO sendet, während dieser hinter dem Planeten vorbeizieht – konnten Wissenschaftler messen, wie diese Elektronen Funkwellen brachen, was einen hochauflösenden Blick auf die atmosphärischen Schichten ermöglichte.

• Höhe 110 km: Die Elektronendichte stieg um 45 % über die Basiswerte an.
• Höhe 130 km: Die Elektronendichte stieg um 278 % an und erzeugte eine „hochgeladene“ Schicht.
• Ionosphärische Reaktion: Der Sturm verursachte eine sofortige Ionisierung neutraler Gase und verwandelte die obere Atmosphäre effektiv in ein hochleitfähiges Plasma.
• Datenvalidierung: Die Messungen wurden durch den Abgleich mit Daten der NASA-Mission MAVEN und dem Radarinstrument MARSIS bestätigt.

Diese atmosphärische Erregung hat langfristige Folgen für die Entwicklung des Planeten. Colin Wilson, ESA-Projektwissenschaftler für Mars Express, erklärte, dass diese Ereignisse das „Abtragen“ der Atmosphäre in den Weltraum vorantreiben. Da der Sonnensturm Energie deponiert, beschleunigt er Ionen auf Fluchtgeschwindigkeit, was zum historischen Verlust von Wasser und Luft auf dem Mars beiträgt. Das Verständnis dieses Prozesses ist entscheidend, um die klimatische Geschichte des Planeten zu rekonstruieren und festzustellen, wie aus einer einst bewohnbaren Welt eine gefrorene Wüste wurde.

Gibt es Risiken für zukünftige Mars-Missionen durch solare Superstürme?

Ja, solare Superstürme stellen kritische Risiken für zukünftige Mars-Missionen dar, einschließlich tödlicher Strahlendosen für Astronauten und der totalen Unterbrechung von Kommunikations- und Radarsystemen. Ohne ein Magnetfeld zur Ablenkung von Teilchen könnten Forscher auf der Oberfläche Strahlungswerten ausgesetzt sein, die dutzenden Röntgenaufnahmen des Brustkorbs bei einem einzigen Ereignis entsprechen, was die Entwicklung spezialisierter Habitate und Frühwarnsysteme erforderlich macht.

Über die biologische Bedrohung hinaus stellt die hochgeladene Ionosphäre eine erhebliche Hürde für den Missionsbetrieb dar. Die während des Sturms im Mai 2024 beobachtete hohe Elektronendichte kann Funksignale blockieren oder verzerren, die für die Kommunikation zwischen der Oberfläche und den umkreisenden Raumschiffen verwendet werden. Darüber hinaus können Radarinstrumente, die zur Kartierung von unterirdischem Eis – einer lebenswichtigen Ressource für zukünftige Kolonisten – eingesetzt werden, während des solaren Maximums unbrauchbar werden. Jacob Parrott betonte, dass diese Erkenntnisse eine „Schlüsselerwägung bei der Missionsplanung“ seien, da sie bestimmen, wann es für Menschen sicher ist, sich auf der Oberfläche aufzuhalten, und wann kritische Datenübertragungen stattfinden sollten.

Implikationen für die zukünftige menschliche Exploration

Die von den ESA-Orbitern gesammelten Daten unterstreichen die Notwendigkeit eines robusten interplanetaren Weltraumwetter-Warnsystems. Für zukünftige Mars-Kolonisten werden „sichere“ Zeiträume für Aktivitäten auf der Oberfläche von Sonnenzyklen und der Überwachung aktiver Regionen wie AR3664 diktiert werden. Da der Mars über keinen natürlichen Schutzschild verfügt, müssen Astronauten während der solaren Höchstaktivität möglicherweise Zuflucht in Lavaröhren oder speziell errichteten Strahlenschutzbunkern suchen, um die vom TGO gemessenen Dosen zu vermeiden, die dem Äquivalent von 200 Tagen entsprechen.

Mit Blick auf die Zukunft plant die ESA, den Einsatz der Radiookkultation von Orbiter zu Orbiter auszuweiten – eine Technik, die sich bei der Überwachung der Marsumgebung in Echtzeit als unschätzbar wertvoll erwiesen hat. Durch die Nutzung von Mars Express und ExoMars TGO als Dual-Punkt-Sensornetzwerk können Forscher nun vorhersagen, wie sich ein Sturm, der die Erde trifft, verhalten könnte, wenn er den Roten Planeten erreicht. Dieser proaktive Ansatz für das Weltraumwetter ist der erste Schritt zum Aufbau der „Wettersatelliten“ der Zukunft, um sicherzustellen, dass die nächste Generation von Entdeckern auf die launische Natur unseres Sterns vorbereitet ist.