Studie entdeckt Berechnungsfehler: Sonnenstürme bedrohen Tech-Infrastruktur stärker als gedacht

Ein vermeintliches physikalisches Gesetz entpuppt sich als statistischer Fehler. Eine neue Auswertung von Satellitendaten zeigt, dass ein bisher angenommener Schutzschild für unsere Technologie in der Realität möglicherweise gar nicht existiert.

Ein Team des Nasa Goddard Space Flight Center im US-Bundesstaat Maryland hat festgestellt, dass die Auswirkungen extremer Sonnenstürme auf die Erde bislang deutlich unterschätzt wurden. Wie in einer im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlichten Studie zu lesen ist, beruht die lange angenommene Sättigung der geomagnetischen Reaktion offenbar auf einem statistischen Phänomen.

Jahrzehntelang gingen Weltraumforscher:innen davon aus, dass die Magnetosphäre der Erde bei starken Sonnenstürmen eine Art natürlichen Schutzmechanismus aktiviert. Dieser sollte die aufgenommene Energie ab einem bestimmten Punkt messbar dämpfen. Der Weltraumphysiker Nithin Sivadas und sein Team konnten nun nachweisen, dass dieser sogenannte Sättigungseffekt durch Unsicherheiten bei den Messdaten erklärbar ist. Eine physikalische Sättigung bei bislang nicht beobachteten Extremwerten schließen die Forschenden allerdings nicht vollständig aus. Dafür gibt es in den bisher verfügbaren Daten aber keine belastbaren Hinweise.

Bisherige Modelle zum Weltraumwetter stützen sich primär auf Daten von Satelliten am Lagrange-Punkt L1, der rund 1,5 Millionen Kilometer näher an der Sonne liegt als die Erde. Auf dem langen Weg von diesem Messpunkt bis zur Erde verändert sich jedoch der Sonnenwind.

Zudem erschweren unterschiedliche Laufzeiten und Schockfronten die präzise Zuordnung zwischen Messwert und tatsächlicher Reaktion in der Magnetosphäre. Gerade bei sehr starken Ereignissen wachsen diese zufälligen Messunsicherheiten an.

Das führt zu einem statistischen Effekt, der als Regression zur Mitte bekannt ist. Ein extrem hoher Wert, der weit vor der Erde gemessen wird, wird in älteren Auswertungen häufig einer vergleichsweise weniger extremen geomagnetischen Reaktion zugeordnet. Dadurch bog sich die Kurve in den Daten künstlich ab. Das erzeugte den Eindruck eines natürlichen Sättigungseffekts.

Nach einer mathematischen Korrektur dieser Verzerrung zeigte sich, dass die physikalische Reaktion der Erde auf Sonnenstürme weiterhin linear verläuft und in den untersuchten Daten keine klare natürliche Obergrenze erkennen lässt. Die Studie warnt zugleich vor einem grundsätzlichen Problem datengetriebener Vorhersagen.

Modelle für maschinelles Lernen können statistische Verzerrungen aus historischen Daten übernehmen und sie irrtümlich als physikalische Realität abspeichern. Das gilt nicht nur für die Weltraumwetterforschung, sondern kann auch etwa Seismologie oder medizinische Studien betreffen. Für die Vorhersage extremer Sonnenstürme bedeutet das: Risikomodelle könnten zu niedrige Werte liefern, wenn sie die Unsicherheit der Eingangsdaten nicht sauber berücksichtigen.

Die neuen mathematischen Erkenntnisse bedeuten konkret, dass die magnetosphärische Reaktion auf extreme Sonnenstürme bis zu doppelt so stark ausfallen könnte wie bisher angenommen.