Weltraumwetter-Tutorial

Hier präsentieren wir ein kurzes Tutorial über das Weltraumwetter und die Ionosphäre.

Einführung

Weltraumwetter bezieht sich auf Bedingungen auf der Sonne und im Sonnenwind, in der Magnetosphäre, Ionosphäre und Thermosphäre, die die Leistung und Zuverlässigkeit von weltraumgestützten und bodengestützten technologischen Systemen beeinflussen und das Leben oder die Gesundheit von Menschen beeinträchtigen können.

Die Sonne ist der Haupttreiber des Weltraumwetters in der Nähe der Erde. Andere Phänomene wie galaktische kosmische Strahlung tragen ebenfalls zum Weltraumwetter bei.

Die Sonne

Sonneneruptionen

Die Sonne ist ein sehr aktiver Stern. Sonneneruptionen, sogenannte Flares, und koronale Massenauswürfe, auch bekannt als CMEs, treten häufig auf, oft ohne Vorwarnung.
Die Anzahl der Eruptionsereignisse variiert mit einem etwa 11-jährigen Zyklus. Wenn das Aktivitätsniveau am höchsten ist, ist die Anzahl der Explosionsereignisse etwa zehnmal höher als in Zeiten geringer Aktivität. Diese explosiven Ereignisse sind die Hauptquelle von Weltraumwetterstörungen in der Nähe der Erde, dh sie sind die Haupttreiber des Weltraumwetters.

Ausstülpungen

Ausstülpungen sind große röhrenförmige Bögen, die mit relativ kühlem Gas gefüllt sind und sich weit über die Sonnenoberfläche bis weit in die Korona erheben. Dort bleiben sie oft viele Tage und Wochen stabil, fast bewegungslos, offenbar magnetisch abgeschirmt von der umgebenden heißen Korona. Manchmal platzen sie plötzlich und treiben CMEs in den Weltraum. Hier gibt es ein weiteres ungelöstes Problem beim Verständnis des Weltraumwetters: Die Vorhersage solcher Eruptionen und CMEs, bevor sie auftreten!

Kosmische Strahlung

Ähnlich wie bei der Wechselwirkung von terrestrischen Hoch- und Tiefdruckgebieten ändert sich auch das Weltraumwetter mit der Zeit aufgrund der durch die Heliosphäre einströmenden galaktischen kosmischen Strahlung sowie des Sonnenwinds und des interplanetaren Magnetfelds.

In Erdnähe ist die Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung während des Sonnenmaximums durchschnittlich 20 % geringer als während des Sonnenminimums. Die galaktische kosmische Strahlung wird mit bodengestützten und weltraumgestützten Instrumenten gemessen.

Sollten bemannte Weltraummissionen während der maximalen Sonnenbedingungen stattfinden (aufgrund der geringeren Intensität der galaktischen kosmischen Strahlung)? Nein, das wäre nur die halbe Wahrheit. Tatsächlich steigt das Risiko während des Sonnenmaximums, da hochenergetische Partikel von der Sonne (manchmal als kosmische Sonnenstrahlen bezeichnet), die durch Sonneneruptionen angeregt werden, häufiger auftreten, da die Anzahl der Eruptionen zunimmt!

Die galaktische und solare kosmische Strahlung tragen zur Strahlenbelastung der Flugbegleiter bei. Aus diesem Grund hat der Europäische Rat eine Richtlinie zum Schutz von Flugbegleitern veröffentlicht (Richtlinie 96/29/Euratom).

Das MIT-System

Magnetosphäre

Die vom Erdmagnetfeld beeinflusste Region im erdnahen Raum wird als Magnetosphäre bezeichnet. In Erdnähe ist das Magnetfeld ein Dipol, ähnlich dem Feld eines Stabmagneten. In dieser Region befindet sich der Strahlungsgürtel der Erde („Van-Allen-Gürtel“). Durch die Wechselwirkung zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld kommt es in größerer Entfernung von der Erde zu Abweichungen von der Dipolform: Das Magnetfeld wird auf der Tagseite gestaucht und auf der Nachtseite zu einem Schweif gestreckt. Dieser Schweif reicht mehrere hunderttausend Kilometer in den Weltraum.

Ionosphäre

Die Ionosphäre ist der ionisierte Teil der Erdatmosphäre. Die meisten atmosphärischen Gasmoleküle in der Ionosphäre werden durch die ultraviolette Strahlung der Sonne ionisiert. Zusätzlich erreichen geladene Teilchen aus der Magnetosphäre die Atmosphäre und tragen zur Ionosphäre bei. Die Ionosphäre bildet mehrere Schichten mit einer Höhe von etwa 60 km bis über 1000 km. Die Ionosphäre ist elektrisch leitend. Daher reflektiert es Funkwellen bei Frequenzen unter etwa 30 MHz wie eine Platte oder ein Spiegel. Hochfrequentere Funkwellen – bis zu 10 GHz – können die Ionosphäre passieren, werden jedoch modifiziert. Elektrische Ströme, die in diesen Höhen fließen, modifizieren das Erdmagnetfeld, induzieren Spannungseffekte am Boden und erwärmen die Ionosphäre wie eine elektrische Heizung.

Analog zum terrestrischen Wetter ist die Ionosphäre hochdynamisch und variabel. Die wichtigste Variation ist auf die tägliche Variation der Sonneneinstrahlung zurückzuführen. Dies führt kurz nach Mittag zu einem Ionisationsmaximum und kurz vor Sonnenaufgang zu einem Minimum. Vergleichen Sie dies mit der Temperaturschwankung an der Erdoberfläche, die in ähnlicher Weise variiert. Da die Sonneneinstrahlung auch von der Jahreszeit und dem geografischen Standort abhängt, zeigt sich die gleiche Variation in der ionosphärischen Dichte. Die langfristige Modulation des ionosphärischen Plasmas ist eng mit dem Sonnenzyklus verbunden. In Höhen über 200 km wird die Plasmabewegung hauptsächlich durch die geomagnetischen Feldlinien gesteuert.

Thermosphäre

Das Weltraumwetter beeinflusst die Atmosphäre auf vielfältige Weise. Am stärksten davon betroffen ist die obere Atmosphäre (Thermosphäre). Der beeindruckendste Aspekt sind die Polarlichter (früher bekannt als "Aurora Borealis" auf der Nordhalbkugel und "Aurora Australis" auf der Südhalbkugel). Aber auch andere Effekte sind relevant: Höhenstrahlung verursacht Partikelniederschlag in der Thermosphäre, elektrische Ströme können die Thermosphäre aufheizen, was zu einer Ausdehnung der Atmosphäre führt. Dies wirkt sich auf die Bahnhöhen von Satelliten im erdnahen Orbit aus.

Die Farbe der Polarlichter hängt von der chemischen Natur der Gasteilchen und der Energie der niederschlagenden Elektronen ab. Ozonatome emittieren grünes und rotes Licht, während Stickstoffionen blaue und violette Farben emittieren.

Betroffene Systeme

Unsere Gesellschaft wird zunehmend abhängig von Technologien, die durch das Weltraumwetter beeinflusst werden können. Elektronik, Mobiltelefonkommunikation, Stromversorgung und Navigationssysteme können Probleme im Zusammenhang mit dem Weltraumwetter haben. Beim  AGU 2011-Weltraumwetter-Workshop, erklärte Louis Lanzerotti vom New Jersey Institute of Technology in Newark, NJ, was passiert. „In ihrer harmlosesten Form lösen solche Weltraumwetterereignisse wunderschöne Polarlichter am Nachthimmel aus, wenn einfallende Partikel mit der Erdatmosphäre kollidieren und Licht erzeugen. Aber das Weltraumwetter kann sich auch nachteilig auf unsere moderne technologische Infrastruktur auswirken. Schon Mitte des 18. Jahrhunderts bemerkten es Telegrafenbetreiber dass Polarlichter am Nachthimmel mit Unterbrechungen des Telegrafenbetriebs zusammenfielen – und heute können solche Unterbrechungen eine viel breitere Palette von Technologien betreffen, die sich im letzten Jahrhundert entwickelt haben. Astronauten, die durch Strahlung, Schäden an Stromnetzen und Unterbrechungen von Mobiltelefondiensten und Unterwasser-Telekommunikationskabeln gefährdet sind, und Zerstörung von Satellitenelektronik. Die Auswirkungen der Sonne können komplex, subtil und manchmal ziemlich überraschend sein, und wir brauchen genaue Modelle und genaue Vorhersagen, um moderne Technologie zu schützen."

Internationale Aktivitäten

 

Derzeit werden mehrere weltweite Aktivitäten im Zusammenhang mit dem Weltraumwetter durchgeführt. Beispielsweise in Deutschland, Europa und den USA forschen mehrere Weltraumwetterzentren, bieten Dienstleistungen an und beteiligen sich an verwandten kommerziellen und technologischen Anwendungen.
Das  Space Environment Center in Boulder ,  das ESA Space Weather Network  und die  COST action 724  führen internationale Weltraumwetteraktivitäten durch. Auch weitere internationale Weltraumwetteraktivitäten - etwa in Australien und Japan - haben sich in den letzten Jahren entwickelt. 
In Deutschland werden weltraumwetterbezogene Aktivitäten vom  DLR  (Ionosphärenwetter und -vorhersage), vom  GFZ Potsdam  (Champ-Satellit), IAP Kühlungsborn  (Weltraumwetter und Atmosphäre) und von der  Universität Greifswald /Institut für Physik/Weltraumwetterwarte (Weltraumwetterberichte und Echtzeitbeobachtung von Plasmawolken mit dem MuSTAnG-Teleskop).