Weltraumwetter - Space weather

Nicht zu verwechseln mit Space Weather (Journal) .
Aurora australis, beobachtet von Space Shuttle Discovery , Mai 1991

Weltraumwetter ist ein Zweig der Weltraumphysik und -aeronomie oder Heliophysik , der sich mit den zeitveränderlichen Bedingungen innerhalb des Sonnensystems befasst, einschließlich des Sonnenwinds , wobei der die Erde umgebende Raum betont wird, einschließlich der Bedingungen in der Magnetosphäre , Ionosphäre , Thermosphäre und Exosphäre . Das Weltraumwetter unterscheidet sich vom terrestrischen Wetter der Erdatmosphäre ( Troposphäre und Stratosphäre ), ist jedoch konzeptionell mit diesem verbunden . Der Begriff Weltraumwetter wurde erstmals in den 1950er Jahren verwendet und in den 1990er Jahren gebräuchlich.

Geschichte

Viele Jahrhunderte lang wurden die Auswirkungen des Weltraumwetters bemerkt, aber nicht verstanden. Vorführungen von Polarlicht werden seit langem in hohen Breiten beobachtet.

Genesis

Im Jahr 1724 berichtete George Graham , dass die Nadel eines Magnetkompasses im Laufe des Tages regelmäßig vom magnetischen Norden abgelenkt wurde . Dieser Effekt wurde schließlich 1882 von Balfour Stewart auf elektrische Oberströme in der Ionosphäre und Magnetosphäre zurückgeführt und 1889 von Arthur Schuster durch die Analyse magnetischer Observatoriumsdaten bestätigt.

Im Jahr 1852 zeigte der Astronom und britische Generalmajor Edward Sabine , dass die Wahrscheinlichkeit des Auftretens magnetischer Stürme auf der Erde mit der Anzahl der Sonnenflecken korreliert , was eine neuartige solar-terrestrische Wechselwirkung demonstrierte. Im Jahr 1859 verursachte ein großer magnetischer Sturm brillante Polarlichter und unterbrach den weltweiten Telegrafenbetrieb . Richard Christopher Carrington verband den Sturm richtigerweise mit einer Sonneneruption , die er am Vortag in der Nähe einer großen Sonnenfleckengruppe beobachtet hatte, und zeigte damit, dass bestimmte Sonnenereignisse die Erde beeinflussen könnten.

Kristian Birkeland erklärte die Physik der Polarlichter, indem er in seinem Labor künstliche Polarlichter herstellte und den Sonnenwind vorhersagte.

Die Einführung des Radios hat gezeigt, dass Perioden mit extremer Statik oder Lärm auftraten. Schwere Radarstörungen während eines großen Sonnenereignisses im Jahr 1942 führten zur Entdeckung von Solarradiobursts (Radiowellen, die einen breiten Frequenzbereich abdecken, die durch eine Sonneneruption erzeugt werden), ein weiterer Aspekt des Weltraumwetters.

Zwanzigstes Jahrhundert

Im 20. Jahrhundert nahm das Interesse am Weltraumwetter zu, als militärische und kommerzielle Systeme von Systemen abhängig wurden, die vom Weltraumwetter beeinflusst wurden. Kommunikationssatelliten sind ein wesentlicher Bestandteil des globalen Handels. Wettersatellitensysteme liefern Informationen über das terrestrische Wetter. Die Signale von Satelliten des Global Positioning Systems (GPS) werden in den unterschiedlichsten Anwendungen eingesetzt. Weltraumwetterphänomene können diese Satelliten stören oder beschädigen oder die Funksignale, mit denen sie arbeiten, stören. Weltraumwetterphänomene können schädliche Überspannungen in Fernübertragungsleitungen verursachen und Passagiere und Besatzungsmitglieder von Flugzeugen , insbesondere auf Polarrouten , Strahlung aussetzen .

Das Internationale Geophysikalische Jahr (IGY) hat die Erforschung des Weltraumwetters verstärkt. Bodengestützte Daten, die während des IGY gewonnen wurden, zeigten, dass die Polarlichter in einem Polarlicht-Oval auftraten , einer permanenten Lumineszenzregion, die 15 bis 25 Grad in der Breite von den Magnetpolen entfernt und 5 bis 20 Grad breit ist. 1958 entdeckte der Satellit Explorer I die Van-Allen-Gürtel , Regionen von Strahlungspartikeln, die vom Erdmagnetfeld eingefangen wurden. Im Januar 1959 beobachtete der sowjetische Satellit Luna 1 erstmals den Sonnenwind direkt und maß seine Stärke. Ein kleineres Internationales Heliophysikalisches Jahr (IHY) fand 2007–2008 statt.

1969 machte INJUN-5 (auch bekannt als Explorer 40) die erste direkte Beobachtung des elektrischen Feldes, das vom Sonnenwind in die Ionosphäre der Erde in hohen Breiten eingeprägt wurde. In den frühen 1970er Jahren zeigten Triad-Daten, dass zwischen dem Polaroval und der Magnetosphäre permanente elektrische Ströme flossen.

Der Begriff Weltraumwetter wurde in den späten 1950er Jahren verwendet, als das Weltraumzeitalter begann und Satelliten begannen, die Weltraumumgebung zu messen . Der Begriff gewann in den 1990er Jahren wieder an Popularität, zusammen mit der Überzeugung, dass der Einfluss des Weltraums auf menschliche Systeme einen besser koordinierten Forschungs- und Anwendungsrahmen erforderte.

Nationales US-Weltraumwetterprogramm

Der Zweck des Nationalen Weltraumwetterprogramms der USA besteht darin, die Forschung auf die Bedürfnisse der betroffenen kommerziellen und militärischen Gemeinschaften zu fokussieren, die Forschungs- und Benutzergemeinschaften zu verbinden, eine Koordination zwischen operativen Rechenzentren zu schaffen und die Bedürfnisse der Benutzergemeinschaft besser zu definieren. Die NOAA betreibt das Space Weather Prediction Center des National Weather Service.

Das Konzept wurde 2000 in einen Aktionsplan, 2002 in einen Umsetzungsplan, 2006 in eine Bewertung und 2010 in einen überarbeiteten Strategieplan umgesetzt. 2011 sollte ein überarbeiteter Aktionsplan und 2012 ein überarbeiteter Umsetzungsplan veröffentlicht werden.

Phänomene

Im Sonnensystem , Weltraumwetter wird durch den Sonnenwind und das beeinflusst interplanetare Magnetfeld (IMF) , die durch den Sonnenwind Plasma . Eine Vielzahl physikalischer Phänomene werden mit dem Weltraumwetter in Verbindung gebracht, darunter geomagnetische Stürme und Substürme , die Energieversorgung der Van-Allen-Strahlungsgürtel , ionosphärische Störungen und das Szintillation von Satelliten-Boden-Funksignalen und Langstrecken-Radarsignalen, Polarlicht und geomagnetisch induzierte Ströme an der Erdoberfläche. Koronale Massenauswürfe (CMEs) sind ebenfalls wichtige Treiber des Weltraumwetters, da sie die Magnetosphäre komprimieren und geomagnetische Stürme auslösen können. Solarenergieteilchen (SEP), die durch koronale Massenauswürfe oder Sonneneruptionen beschleunigt werden, können solare Teilchenereignisse (SPEs) auslösen , die einen entscheidenden Faktor für das vom Menschen verursachte Weltraumwetter haben, da sie die Elektronik an Bord von Raumfahrzeugen beschädigen können (z. B. beim Ausfall von Galaxy 15 ) und das Leben von Astronauten sowie die Strahlengefahren für die Luftfahrt in großer Höhe und in großen Breiten erhöhen.

Auswirkungen

Raumfahrzeugelektronik

GOES-11 und GOES-12 überwachten die Weltraumwetterbedingungen während der Sonnenaktivität im Oktober 2003.

Einige Ausfälle von Raumfahrzeugen können direkt dem Weltraumwetter zugeschrieben werden; viele weitere sollen eine Weltraumwetterkomponente haben. Zum Beispiel ereigneten sich 46 der 70 im Jahr 2003 gemeldeten Ausfälle während des geomagnetischen Sturms im Oktober 2003. Die beiden häufigsten nachteiligen Auswirkungen des Weltraumwetters auf Raumfahrzeuge sind Strahlungsschäden und die Aufladung von Raumfahrzeugen .

Strahlung (hochenergetische Teilchen) dringt durch die Haut des Raumfahrzeugs und in die elektronischen Komponenten ein. In den meisten Fällen verursacht die Strahlung ein fehlerhaftes Signal oder ändert ein Bit im Speicher der Elektronik eines Raumfahrzeugs ( Single Event Upsets ). In wenigen Fällen zerstört die Strahlung einen Teil der Elektronik ( Single-Event-Latchup ).

Die Aufladung des Raumfahrzeugs ist die Ansammlung einer elektrostatischen Ladung auf einem nichtleitenden Material auf der Oberfläche des Raumfahrzeugs durch niederenergetische Teilchen. Wenn genügend Ladung aufgebaut ist, kommt es zu einer Entladung (Funke). Dies kann dazu führen, dass ein fehlerhaftes Signal erkannt und von dem Raumfahrzeugcomputer verarbeitet wird. Eine kürzlich durchgeführte Studie weist darauf hin, dass das Aufladen von Raumfahrzeugen der vorherrschende Einfluss des Weltraumwetters auf Raumschiffe in geosynchronen Umlaufbahnen ist .

Änderungen der Umlaufbahn von Raumfahrzeugen

Die Umlaufbahnen von Raumfahrzeugen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) fallen aufgrund des Widerstands der Reibung zwischen der Oberfläche des Raumfahrzeugs ( dh dem Widerstand) und der äußeren Schicht der Erdatmosphäre (auch bekannt als Thermosphäre und Exosphäre) in immer niedrigere Höhen ab . Schließlich fällt ein LEO-Raumschiff aus der Umlaufbahn und in Richtung Erdoberfläche. Viele Raumfahrzeuge, die in den letzten Jahrzehnten gestartet wurden, können eine kleine Rakete abfeuern, um ihre Umlaufbahnen zu steuern. Die Rakete kann die Höhe erhöhen, um die Lebensdauer zu verlängern, den Wiedereintritt auf einen bestimmten (Marine-)Standort zu lenken oder den Satelliten zu leiten, um eine Kollision mit anderen Raumfahrzeugen zu vermeiden. Solche Manöver erfordern genaue Informationen über die Umlaufbahn. Ein geomagnetischer Sturm kann innerhalb weniger Tage eine Bahnänderung verursachen, die sonst über ein Jahr oder länger erfolgen würde. Der geomagnetische Sturm fügt der Thermosphäre Wärme hinzu, wodurch sich die Thermosphäre ausdehnt und aufsteigt, was den Luftwiderstand des Raumfahrzeugs erhöht. Die Satellitenkollision 2009 zwischen Iridium 33 und Kosmos 2251 hat gezeigt, wie wichtig es ist, alle Objekte im Orbit genau zu kennen. Iridium 33 hatte die Fähigkeit, aus dem Weg des Kosmos 2251 zu manövrieren und hätte den Absturz vermeiden können, wenn eine glaubwürdige Kollisionsvorhersage verfügbar gewesen wäre.

Menschen im Weltraum

Hauptartikel: Wirkung der Raumfahrt auf den menschlichen Körper

Die Exposition des menschlichen Körpers gegenüber ionisierender Strahlung hat die gleichen schädlichen Auswirkungen, unabhängig davon, ob die Strahlungsquelle ein medizinisches Röntgengerät , ein Kernkraftwerk oder Strahlung im Weltraum ist. Der Grad der schädlichen Wirkung hängt von der Dauer der Exposition und der Energiedichte der Strahlung ab . Die allgegenwärtigen Strahlungsgürtel reichen bis in die Höhe von bemannten Raumfahrzeugen wie der Internationalen Raumstation (ISS) und dem Space Shuttle , aber die Expositionsmenge liegt unter normalen Bedingungen innerhalb der akzeptablen Lebensdauergrenze . Während eines großen Weltraumwetterereignisses, das einen SEP-Ausbruch beinhaltet, kann der Fluss um Größenordnungen zunehmen. Bereiche innerhalb der ISS bieten Abschirmungen, die die Gesamtdosis innerhalb sicherer Grenzen halten können. Für das Space Shuttle hätte ein solches Ereignis die sofortige Beendigung der Mission erfordert.

Bodensysteme

Raumfahrzeugsignale

Die Ionosphäre biegt Radiowellen auf die gleiche Weise wie Wasser in einem Schwimmbecken sichtbares Licht. Wenn das Medium, durch das sich solche Wellen bewegen, gestört wird, werden das Lichtbild oder die Funkinformationen verzerrt und können unkenntlich werden. Der Grad der Verzerrung (Szintillation) einer Funkwelle durch die Ionosphäre hängt von der Signalfrequenz ab. Funksignale im UKW- Band (30 bis 300 MHz) können durch eine gestörte Ionosphäre bis zur Unkenntlichkeit verzerrt werden. Funksignale im UHF- Band (300 MHz bis 3 GHz) durchlaufen eine gestörte Ionosphäre, aber ein Empfänger kann möglicherweise nicht auf die Trägerfrequenz eingekoppelt werden. GPS verwendet Signale bei 1575,42 MHz (L1) und 1227,6 MHz (L2), die durch eine gestörte Ionosphäre verzerrt werden können. Weltraumwetterereignisse, die GPS-Signale verfälschen, können die Gesellschaft erheblich beeinträchtigen. Als Navigationswerkzeug für die nordamerikanische Verkehrsluftfahrt wird beispielsweise das Wide Area Augmentation System (WAAS) der US-amerikanischen Federal Aviation Administration (FAA) verwendet. Es wird durch jedes größere Weltraumwetterereignis deaktiviert. Ausfälle können von Minuten bis zu Tagen dauern. Große Weltraumwetterereignisse können die gestörte polare Ionosphäre um 10° bis 30° Breitengrad in Richtung Äquator verschieben und große ionosphärische Gradienten (Dichteänderungen über Hunderte von Kilometern) in mittleren und niedrigen Breitengraden verursachen. Beide Faktoren können GPS-Signale verzerren.

Fernfunksignale

Funkwellen im HF- Band (3 bis 30 MHz) (auch Kurzwellenband genannt ) werden von der Ionosphäre reflektiert. Da der Boden auch HF-Wellen reflektiert, kann ein Signal um die Erdkrümmung außerhalb der Sichtlinie übertragen werden. Während des 20. Jahrhunderts war die HF-Kommunikation die einzige Methode, mit der ein Schiff oder Flugzeug weit entfernt von Land oder einer Basisstation kommunizieren konnte. Das Aufkommen von Systemen wie Iridium brachte andere Kommunikationsmethoden mit sich, aber HF bleibt kritisch für Schiffe, die nicht die neuere Ausrüstung tragen, und als kritisches Backup-System für andere. Weltraumwetterereignisse können Unregelmäßigkeiten in der Ionosphäre erzeugen, die HF-Signale streuen, anstatt sie zu reflektieren, wodurch HF-Kommunikation verhindert wird. In Polarlicht- und Polarbreiten stören kleine Weltraumwetterereignisse, die häufig auftreten, die HF-Kommunikation. In mittleren Breiten wird die HF-Kommunikation durch solare Funkausbrüche, durch Röntgenstrahlen von Sonneneruptionen (die die ionosphärische D-Schicht verstärken und stören) und durch TEC- Verstärkungen und Unregelmäßigkeiten während großer geomagnetischer Stürme gestört .

Transpolare Flugrouten sind besonders empfindlich gegenüber Weltraumwetter, zum Teil weil die Federal Aviation Regulations eine zuverlässige Kommunikation während des gesamten Fluges erfordern. Die Umleitung eines solchen Fluges wird auf etwa 100.000 US-Dollar geschätzt.

Alle Passagiere in Verkehrsflugzeugen, die über 7.900 m (26.000 Fuß) fliegen, werden normalerweise einer gewissen Exposition in dieser Strahlungsumgebung der Luftfahrt ausgesetzt sein.

Menschen in der kommerziellen Luftfahrt

Die Magnetosphäre leitet kosmische Strahlung und solarenergetische Teilchen in polare Breiten, während hochenergetische geladene Teilchen in die Mesosphäre, Stratosphäre und Troposphäre eindringen. Diese energiereichen Teilchen an der Spitze der Atmosphäre zerschmettern atmosphärische Atome und Moleküle und erzeugen schädliche Teilchen mit niedrigerer Energie, die tief in die Atmosphäre eindringen und messbare Strahlung erzeugen. Alle Flugzeuge, die über 8 km (26.200 Fuß) Höhe fliegen, sind diesen Partikeln ausgesetzt. Die Dosisbelastung ist in Polarregionen höher als in mittleren Breiten und äquatorialen Regionen. Viele Verkehrsflugzeuge überfliegen die Polarregion. Wenn ein Weltraumwetterereignis dazu führt, dass die Strahlenexposition das von den Luftfahrtbehörden festgelegte Sicherheitsniveau überschreitet, wird die Flugbahn des Flugzeugs umgeleitet.

Zu den bedeutendsten, aber höchst unwahrscheinlichen gesundheitlichen Folgen einer atmosphärischen Strahlenexposition gehören Krebstodesfälle aufgrund von Langzeitexposition, aber auch viele den Lebensstil beeinträchtigende und karrierewirksame Krebsformen können auftreten. Eine Krebsdiagnose kann für einen Verkehrspiloten erhebliche Auswirkungen auf die Karriere haben. Eine Krebsdiagnose kann einen Piloten vorübergehend oder dauerhaft erden. Internationale Richtlinien der Internationalen Strahlenschutzkommission (ICRP) wurden entwickelt, um dieses statistische Risiko zu mindern. Die ICRP empfiehlt effektive Dosisgrenzwerte von einem 5-Jahres-Mittel von 20 mSv pro Jahr mit nicht mehr als 50 mSv in einem Jahr für nicht schwangere, beruflich strahlenexponierte Personen und 1 mSv pro Jahr für die Allgemeinheit. Strahlendosisgrenzwerte sind keine technischen Grenzwerte. In den USA gelten sie als obere Grenze der Akzeptanz und nicht als behördliche Grenze.

Messungen der Strahlungsumgebung bei kommerziellen Flugzeughöhen über 8 km (26.000 ft) wurden in der Vergangenheit mit Instrumenten durchgeführt, die die Daten an Bord aufzeichnen, wo die Daten dann später am Boden verarbeitet werden. Im Rahmen des NASA-Programms Automated Radiation Measurements for Aerospace Safety (ARMAS) wurde jedoch ein System von Echtzeit-Strahlungsmessungen an Bord von Flugzeugen entwickelt. ARMAS hat seit 2013 Hunderte von Flügen geflogen, hauptsächlich mit Forschungsflugzeugen, und die Daten über Iridium-Satellitenverbindungen zum Boden gesendet. Das letztendliche Ziel dieser Arten von Messungen ist es, Daten in physikbasierte Globalstrahlungsmodelle zu integrieren, zB das Nowcast of Atmospheric Ionizing Radiation System ( NAIRAS ) der NASA , um das Wetter der Strahlungsumgebung und nicht die Klimatologie zu liefern.

Erdinduzierte elektrische Felder

Magnetische Sturmaktivitäten können in der leitenden Lithosphäre der Erde geoelektrische Felder induzieren . Entsprechende Spannungsdifferenzen können über Masseverbindungen in die Stromnetze eindringen , unkontrollierte elektrische Ströme treiben, die den Netzbetrieb stören, Transformatoren beschädigen, Schutzrelais auslösen und manchmal zu Stromausfällen führen. Diese komplizierte Kette von Ursachen und Wirkungen wurde während des magnetischen Sturms im März 1989 demonstriert , der den vollständigen Zusammenbruch des Stromnetzes von Hydro-Québec in Kanada verursachte und neun Millionen Menschen vorübergehend ohne Strom zurückließ. Das mögliche Auftreten eines noch stärkeren Sturms führte zu betrieblichen Standards zur Minderung von Einschleppungsrisiken, während Rückversicherungsunternehmen überarbeitete Risikobewertungen in Auftrag gaben .

Geophysikalische Erkundung

Luft- und schiffsgestützte magnetische Vermessungen können durch schnelle Magnetfeldänderungen während geomagnetischer Stürme beeinträchtigt werden. Solche Stürme verursachen Probleme bei der Dateninterpretation, da die raumwetterbedingten Magnetfeldänderungen in der Größenordnung denen des unterirdischen Krustenmagnetfelds im Untersuchungsgebiet ähnlich sind. Genaue geomagnetische Sturmwarnungen, einschließlich einer Bewertung der Sturmstärke und -dauer, ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz von Vermessungsgeräten.

Geophysik und Kohlenwasserstoffförderung

Aus wirtschaftlichen und anderen Gründen beinhaltet die Öl- und Gasförderung häufig das horizontale Bohren von Bohrpfaden viele Kilometer von einem einzigen Bohrlochkopf entfernt. Die Genauigkeitsanforderungen sind aufgrund der Zielgröße – Reservoirs können nur wenige Dutzend bis Hunderte von Metern Durchmesser haben – und der Sicherheit aufgrund der Nähe anderer Bohrlöcher streng. Die genaueste Kreiselmethode ist teuer, da das Bohren stundenlang unterbrochen werden kann. Eine Alternative ist die Verwendung einer magnetischen Vermessung, die eine Messung während des Bohrens (MWD) ermöglicht . Magnetische Daten können nahezu in Echtzeit verwendet werden, um die Bohrrichtung zu korrigieren. Magnetische Daten und Weltraumwettervorhersagen können helfen, unbekannte Bohrfehlerquellen aufzuklären.

Terrestrisches Wetter

Die Energiemenge, die durch Weltraumwetterphänomene in die Troposphäre und Stratosphäre eindringt, ist im Vergleich zur Sonneneinstrahlung im sichtbaren und infraroten Teil des elektromagnetischen Spektrums der Sonne trivial . Obwohl eine Verbindung zwischen dem 11-jährigen Sonnenfleckenzyklus und dem Erdklima behauptet wurde, wurde dies nie bestätigt. Zum Beispiel wurde oft vorgeschlagen, dass das Maunder-Minimum , ein 70-jähriger Zeitraum, in dem es fast keine Sonnenflecken gibt, mit einem kühleren Klima korreliert, aber diese Korrelationen sind nach tieferen Studien verschwunden. Die vorgeschlagene Verbindung von Änderungen des kosmischen Strahlenflusses verursacht Änderungen in der Menge der Wolkenbildung. hat wissenschaftliche Tests nicht überlebt. Ein weiterer Hinweis darauf, dass Schwankungen im EUV-Fluss die bestehenden Klimatreiber subtil beeinflussen und das Gleichgewicht zwischen El Niño / La Niña- Ereignissen bestimmen . brach zusammen, als neue Forschungen zeigten, dass dies nicht möglich war. Daher ist ein Zusammenhang zwischen Weltraumwetter und Klima nicht nachgewiesen.

Überwachung

Die Beobachtung des Weltraumwetters wird sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für Anwendungen durchgeführt. Die wissenschaftliche Beobachtung hat sich mit dem Stand des Wissens weiterentwickelt, während sich die anwendungsbezogene Beobachtung mit der Fähigkeit, solche Daten zu verwerten, erweitert hat.

Bodengebunden

Das Weltraumwetter wird am Boden durch Beobachtung von Veränderungen des Erdmagnetfelds über Zeiträume von Sekunden bis Tagen, durch Beobachtung der Sonnenoberfläche und durch Beobachtung von in der Sonnenatmosphäre erzeugtem Funkrauschen überwacht.

Die Sonnenfleckenzahl (SSN) ist die Anzahl der Sonnenflecken auf der Photosphäre der Sonne im sichtbaren Licht auf der für einen Erdbeobachter sichtbaren Seite der Sonne. Die Anzahl und die Gesamtfläche der Sonnenflecken hängen von der Helligkeit der Sonne im extremen Ultraviolett (EUV) und den Röntgenstrahlen des Sonnenspektrums und der Sonnenaktivität wie Sonneneruptionen und koronalen Massenauswürfen (CMEs) ab.

Der 10,7-cm-Funkfluss (F10,7) ist ein Maß für die HF-Emissionen der Sonne und korreliert ungefähr mit dem solaren EUV-Fluss. Da diese HF-Emission vom Boden leicht zu erhalten ist und der EUV-Fluss nicht, wird dieser Wert seit 1947 kontinuierlich gemessen und verbreitet. Die Weltstandardmessungen werden vom Dominion Radio Astrophysical Observatory in Penticton, BC, Kanada, durchgeführt und einmal täglich gemeldet am lokalen Mittag in Solarflusseinheiten (10 –22 W·m –2 ·Hz –1 ). F10.7 wird vom National Geophysical Data Center archiviert.

Grundlegende Daten zur Überwachung des Weltraumwetters werden von bodengestützten Magnetometern und magnetischen Observatorien bereitgestellt. Magnetische Stürme wurden zuerst durch bodengestützte Messungen gelegentlicher magnetischer Störungen entdeckt. Bodenmagnetometerdaten liefern ein Echtzeit-Situationsbewusstsein für die Analyse nach dem Ereignis. Magnetische Observatorien sind seit Jahrzehnten bis Jahrhunderten im Dauerbetrieb und liefern Daten für Studien über langfristige Veränderungen der Weltraumklimatologie.

Der Dst-Index ist eine Schätzung der Magnetfeldänderung am magnetischen Äquator der Erde aufgrund eines Rings aus elektrischem Strom auf und gerade erdwärts der geosynchronen Umlaufbahn . Der Index basiert auf Daten von vier bodengestützten magnetischen Observatorien zwischen 21° und 33° magnetischer Breite während eines Zeitraums von einer Stunde. Stationen, die näher am magnetischen Äquator liegen, werden aufgrund ionosphärischer Effekte nicht verwendet. Der Dst-Index wird vom World Data Center for Geomagnetism, Kyoto, zusammengestellt und archiviert.

Kp/ap- Index: 'a' ist ein Index, der aus der geomagnetischen Störung an einem geomagnetischen Observatorium mittlerer Breite (40° bis 50° Breite) während eines Zeitraums von 3 Stunden erstellt wurde. 'K' ist das quasi-logarithmische Gegenstück zum 'a'-Index. Kp und ap sind der Durchschnitt von K und a über 13 geomagnetische Observatorien, um planetenweite geomagnetische Störungen darzustellen. Der Kp/ap-Index zeigt sowohl geomagnetische Stürme als auch Substürme (Aurorstörung) an. Kp/ap ist ab 1932 verfügbar.

Der AE-Index wird aus geomagnetischen Störungen an 12 geomagnetischen Observatorien in und in der Nähe der Polarlichtzonen erstellt und in 1-Minuten-Intervallen aufgezeichnet. Der öffentliche AE-Index ist mit einer Verzögerung von zwei bis drei Tagen verfügbar, was seinen Nutzen für Weltraumwetteranwendungen einschränkt. Der AE-Index gibt die Intensität von geomagnetischen Substürmen an, außer während eines großen geomagnetischen Sturms, wenn sich die Polarlichtzonen von den Observatorien äquatorwärts ausdehnen.

Radio Noise Bursts werden vom Radio Solar Telescope Network an die US Air Force und an die NOAA gemeldet. Die Funkstöße sind mit Sonneneruptionsplasma verbunden, das mit der umgebenden Sonnenatmosphäre interagiert.

Die Photosphäre der Sonne wird kontinuierlich auf Aktivitäten beobachtet, die die Vorläufer von Sonneneruptionen und CMEs sein können. Das Projekt Global Oscillation Network Group (GONG) überwacht sowohl die Oberfläche als auch das Innere der Sonne mithilfe von Helioseismologie , der Untersuchung von Schallwellen, die sich durch die Sonne ausbreiten und als Wellen auf der Sonnenoberfläche beobachtet werden. GONG kann Sonnenfleckengruppen auf der anderen Seite der Sonne erkennen. Diese Fähigkeit wurde kürzlich durch visuelle Beobachtungen von der Raumsonde STEREO bestätigt .

Neutronenmonitore am Boden überwachen indirekt die kosmische Strahlung von der Sonne und galaktischen Quellen. Wenn kosmische Strahlung mit der Atmosphäre wechselwirkt, treten atomare Wechselwirkungen auf, die bewirken, dass ein Schauer von Teilchen mit niedrigerer Energie in die Atmosphäre und auf Bodenniveau absinkt. Das Vorhandensein von kosmischer Strahlung in der erdnahen Weltraumumgebung kann durch Überwachung hochenergetischer Neutronen in Bodennähe nachgewiesen werden. Kleine Ströme kosmischer Strahlung sind ständig vorhanden. Bei Ereignissen im Zusammenhang mit energetischen Sonneneruptionen erzeugt die Sonne große Ströme.

Der Gesamtelektronengehalt (TEC) ist ein Maß für die Ionosphäre über einem bestimmten Ort. TEC ist die Anzahl der Elektronen in einer Säule von einem Quadratmeter von der Basis der Ionosphäre (ungefähr 90 km Höhe) bis zur Spitze der Ionosphäre (ungefähr 1000 km Höhe). Viele TEC-Messungen werden durch die Überwachung der beiden von GPS- Raumfahrzeugen gesendeten Frequenzen durchgeführt . Derzeit wird GPS TEC von mehr als 360 Stationen, die von Agenturen in vielen Ländern unterhalten werden, in Echtzeit überwacht und verteilt.

Die Geoeffektivität ist ein Maß dafür, wie stark Magnetfelder des Weltraumwetters, wie etwa koronale Massenauswürfe, mit dem Erdmagnetfeld koppeln. Dies wird durch die Richtung des Magnetfelds im Plasma bestimmt, das von der Sonne ausgeht. Neue Techniken zur Messung der Faraday-Rotation in Radiowellen sind in Entwicklung, um die Feldrichtung zu messen.

Satellitenbasiert

Eine Vielzahl von Forschungsraumfahrzeugen hat das Weltraumwetter erforscht. Die Orbiting Geophysical Observatory- Reihe gehörte zu den ersten Raumfahrzeugen mit der Mission, die Weltraumumgebung zu analysieren. Zu den jüngsten Raumfahrzeugen gehören das NASA-ESA Solar-Terrestrial Relations Observatory (STEREO), das 2006 in eine Sonnenumlaufbahn gestartet wurde, und die Van-Allen-Sonden , die 2012 in eine stark elliptische Erdumlaufbahn gestartet wurden. Die beiden STEREO-Raumsonden driften pro Jahr um etwa 22° von der Erde weg, wobei eine der Erde in ihrer Umlaufbahn voraus und die andere hinterherläuft. Gemeinsam stellen sie Informationen über die Sonnenoberfläche und die Atmosphäre in drei Dimensionen zusammen. Die Van-Allen-Sonden zeichnen detaillierte Informationen über die Strahlungsgürtel, geomagnetischen Stürme und die Beziehung zwischen beiden auf.

Einige Raumfahrzeuge mit anderen primären Missionen haben Hilfsinstrumente für die Sonnenbeobachtung mitgeführt. Zu den frühesten solchen Raumfahrzeugen gehörten die Applications Technology Satellite (ATS)-Serie bei GEO, die Vorläufer des modernen Wettersatelliten Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES) und vieler Kommunikationssatelliten waren. Die ATS-Raumsonde trug Umgebungspartikelsensoren als zusätzliche Nutzlasten und hatte ihren Navigationsmagnetfeldsensor zum Erfassen der Umgebung.

Viele der frühen Instrumente waren Forschungsraumfahrzeuge, die für Weltraumwetteranwendungen umfunktioniert wurden. Eine der ersten davon war die IMP-8 (Interplanetary Monitoring Platform). Es umkreiste die Erde mit 35 Erdradien und beobachtete den Sonnenwind für zwei Drittel seiner 12-Tage-Umlaufbahnen von 1973 bis 2006. Da der Sonnenwind Störungen mit sich bringt, die die Magnetosphäre und Ionosphäre beeinflussen, demonstrierte IMP-8 die Nützlichkeit der kontinuierlichen Solar Windüberwachung. IMP-8 wurde von gefolgt ISEE-3 , die in der Nähe des getätigt L 1 Sonne - Erde Lagrange - Punkt , über der Oberfläche 235 Erdradien (etwa 1,5 Millionen km oder 924.000 Meilen) und überwacht kontinuierlich den Sonnenwind 1978-1982. Die nächste Sonde, die den Sonnenwind am Punkt L 1 überwachte, war WIND von 1994 bis 1998. Nach April 1998 wurde die Umlaufbahn der WIND-Sonde geändert, um die Erde zu umkreisen und gelegentlich den Punkt L 1 zu passieren . Der NASA Advanced Composition Explorer (ACE) hat den Sonnenwind am Punkt L 1 von 1997 bis heute überwacht .

Neben der Überwachung des Sonnenwinds ist die Überwachung der Sonne für das Weltraumwetter wichtig. Da das Sonnen-EUV nicht vom Boden aus überwacht werden kann, wurde die gemeinsame Raumsonde der NASA und der ESA Solar and Heliosphere Observatory (SOHO) gestartet und lieferte ab 1995 Sonnen-EUV-Bilder. SOHO ist eine Hauptquelle für Sonnendaten in nahezu Echtzeit für beide Forschung und Weltraumwettervorhersage und inspirierte die STEREO- Mission. Die Raumsonde Yohkoh bei LEO beobachtete die Sonne von 1991 bis 2001 im Röntgenbereich des Sonnenspektrums und war sowohl für die Forschung als auch für die Vorhersage des Weltraumwetters nützlich. Daten von Yohkoh inspirierten den Solar X-ray Imager auf GOES.

GOES-7 überwacht die Weltraumwetterbedingungen während der Sonnenaktivität im Oktober 1989, die zu einem Rückgang von Forbush, Bodenverbesserungen und vielen Satellitenanomalien führte.

Raumfahrzeuge mit Instrumenten, deren Hauptzweck darin besteht, Daten für Weltraumwettervorhersagen und -anwendungen bereitzustellen, umfassen die Geostationary Operational Environmental Satellite (GOES)-Serie von Raumfahrzeugen, die POES- Serie, die DMSP- Serie und die Meteosat- Serie. Die Raumsonde GOES trägt seit 1974 einen Röntgensensor (XRS), der den Fluss der gesamten Sonnenscheibe in zwei Bändern – 0,05 bis 0,4 nm und 0,1 bis 0,8 nm – misst, seit 2004 ein Röntgenbildgerät (SXI), ein Magnetometer, das die Verzerrungen des Erdmagnetfeldes durch das Weltraumwetter misst, ein Whole-Disk- EUV- Sensor seit 2004 und Partikelsensoren (EPS/HEPAD), die Ionen und Elektronen im Energiebereich von 50 keV bis 500 MeV messen. Irgendwann nach 2015 wird die GOES-R-Generation der GOES-Raumsonde das SXI durch ein Solar-EUV-Bild (SUVI) ähnlich dem von SOHO und STEREO ersetzen und der Partikelsensor wird um eine Komponente erweitert, um den Energiebereich bis auf zu erweitern 30 eV.

Der Satellit Deep Space Climate Observatory (DSCOVR) ist ein Erdbeobachtungs- und Weltraumwettersatellit der NOAA , der im Februar 2015 gestartet wurde. Zu seinen Funktionen gehört die Vorwarnung vor koronalen Massenauswürfen.

Modelle

Weltraumwettermodelle sind Simulationen der Weltraumwetterumgebung. Modelle verwenden Sätze mathematischer Gleichungen, um physikalische Prozesse zu beschreiben.

Diese Modelle verwenden einen begrenzten Datensatz und versuchen, die gesamte oder einen Teil der Weltraumwetterumgebung zu beschreiben oder vorherzusagen, wie sich das Wetter im Laufe der Zeit entwickelt. Frühe Modelle waren heuristisch; dh ., sie haben beschäftigen nicht direkt Physik. Diese Modelle benötigen weniger Ressourcen als ihre anspruchsvolleren Nachkommen.

Spätere Modelle verwenden die Physik, um so viele Phänomene wie möglich zu erklären. Noch kann kein Modell die Umgebung von der Sonnenoberfläche bis zum Boden der Ionosphäre der Erde zuverlässig vorhersagen. Weltraumwettermodelle unterscheiden sich von meteorologischen Modellen dadurch, dass der Input erheblich geringer ist.

Ein bedeutender Teil der Forschung und Entwicklung von Weltraumwettermodellen in den letzten zwei Jahrzehnten wurde im Rahmen des Geospace Environmental Model (GEM)-Programms der National Science Foundation durchgeführt . Die beiden wichtigsten Modellierungszentren sind das Center for Space Environment Modeling (CSEM) und das Center for Integrated Space Weather Modeling (CISM). Das Community Coordinated Modeling Center (CCMC) am NASA Goddard Space Flight Center ist eine Einrichtung zur Koordinierung der Entwicklung und Erprobung von Forschungsmodellen, zur Verbesserung und Vorbereitung von Modellen für den Einsatz in der Weltraumwettervorhersage und -anwendung.

Modellierungstechniken umfassen (a) Magnetohydrodynamik , bei der die Umgebung als Flüssigkeit behandelt wird, (b) Partikel in einer Zelle, bei der nicht-flüssige Wechselwirkungen innerhalb einer Zelle behandelt werden und dann Zellen verbunden werden, um die Umgebung zu beschreiben, (c) zuerst Prinzipien, bei denen physikalische Prozesse im Gleichgewicht (oder Gleichgewicht) zueinander stehen, (d) semistatische Modellierung, bei der ein statistischer oder empirischer Zusammenhang beschrieben wird, oder eine Kombination mehrerer Methoden.

Wetterentwicklung im kommerziellen Raum

Während des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts entstand ein kommerzieller Sektor, der sich mit Weltraumwetter beschäftigt und Behörden, Hochschulen, Handels- und Verbrauchersektoren bedient. Weltraumwetteranbieter sind in der Regel kleinere Unternehmen oder kleine Abteilungen innerhalb eines größeren Unternehmens, die Weltraumwetterdaten, Modelle, abgeleitete Produkte und den Vertrieb von Diensten bereitstellen.

Der kommerzielle Sektor umfasst wissenschaftliche und technische Forscher sowie Nutzer. Die Aktivitäten richten sich in erster Linie auf die Auswirkungen des Weltraumwetters auf die Technologie. Dazu gehören zum Beispiel:

  • Atmosphärischer Luftwiderstand auf LEO-Satelliten, verursacht durch Energieeinträge in die Thermosphäre von solaren UV-, FUV-, Lyman-Alpha- , EUV- , XUV- , Röntgen- und Gammastrahlen- Photonen sowie durch Niederschlag geladener Teilchen und Joule-Erwärmung in hohen Breiten;
  • Oberflächen- und interne Aufladung durch erhöhte energetische Teilchenflüsse, die zu Effekten wie Entladungen, Einzelereignisstörungen und Latch-up auf LEO- bis GEO-Satelliten führen;
  • Gestörte GPS-Signale, die durch ionosphärische Szintillation verursacht werden, was zu erhöhter Unsicherheit in Navigationssystemen wie dem Wide Area Augmentation System (WAAS) der Luftfahrt führt ;
  • Verlorene HF-, UHF- und L-Band-Funkkommunikation aufgrund von Ionosphärenszintillation, Sonneneruptionen und geomagnetischen Stürmen;
  • Erhöhte Strahlung auf menschliches Gewebe und Avionik durch galaktische kosmische Strahlung SEP, insbesondere während großer Sonneneruptionen, und möglicherweise durch Bremsstrahlung erzeugte Gammastrahlen, die von energiereichen Elektronen des Strahlungsgürtels in Höhen über 8 km erzeugt werden;
  • Erhöhte Ungenauigkeit bei der Vermessung und Öl-/Gasexploration, die das Hauptmagnetfeld der Erde nutzt, wenn es durch geomagnetische Stürme gestört wird;
  • Verlust der Stromübertragung durch GIC-Überspannungen im Stromnetz und Abschaltungen von Transformatoren bei großen geomagnetischen Stürmen.

Viele dieser Störungen führen zu gesellschaftlichen Auswirkungen, die einen erheblichen Teil des nationalen BIP ausmachen.

Das Konzept der Schaffung von Anreizen für kommerzielles Weltraumwetter wurde erstmals durch die Idee einer wirtschaftlichen Innovationszone für Weltraumwetter vorgeschlagen, die von der American Commercial Space Weather Association (ACSWA) im Jahr 2015 diskutiert wurde die Risiken des Weltraumwetters und würden umfassendere Forschungsaktivitäten der Universitäten im Zusammenhang mit dem Weltraumwetter fördern. Es könnte US-Unternehmen zu Investitionen in Weltraumwetterdienste und -produkte ermutigen. Es förderte die Unterstützung der US-Geschäftsinnovation bei Weltraumwetterdiensten und -produkten, indem es den Erwerb von US-amerikanischer kommerzieller Hardware, Software und zugehöriger Produkte und Dienstleistungen durch die US-Regierung verlangte, wenn keine entsprechenden staatlichen Fähigkeiten vorhanden waren. Es förderte auch den Verkauf von in den USA hergestellter kommerzieller Hardware, Software und zugehöriger Produkte und Dienstleistungen an internationale Partner. in den USA gebaute kommerzielle Hardware, Dienstleistungen und Produkte als „Weltraumwetter-Wirtschaftsinnovationszone“ zu bezeichnen; Schließlich empfahl sie, dass in den USA gebaute kommerzielle Hardware, Dienste und Produkte als Beiträge zur Wirtschaftsinnovationszone von Space Weather in Agenturberichten erfasst werden. Im Jahr 2015 lieferte der Gesetzentwurf des US-Kongresses HR1561 die Grundlage dafür, dass die sozialen und ökologischen Auswirkungen einer Weltraumwetter-Wirtschaftsinnovationszone weitreichend sein könnten. Im Jahr 2016 wurde das Weltraumwetterforschungs- und Vorhersagegesetz (S. 2817) eingeführt, um auf diesem Erbe aufzubauen. Später, in den Jahren 2017-2018, nahm der HR3086-Gesetz diese Konzepte auf, umfasste die Breite des Materials aus parallelen Studien der Agenturen im Rahmen des von der OSTP gesponserten Weltraumwetter-Aktionsprogramms (SWAP) und mit zweikammeriger und überparteilicher Unterstützung ist der 116. Kongress (2019) Erwägung der Verabschiedung des Weltraumwetterkoordinationsgesetzes (S141, 115. Kongress).

American Commercial Space Weather Association

Am 29. April 2010 gründete die kommerzielle Weltraumwetter-Community die American Commercial Space Weather Association ( ACSWA ) als Branchenverband. ACSWA fördert die Minderung von Weltraumwetterrisiken für die nationale Infrastruktur, Wirtschaftskraft und nationale Sicherheit. Es versucht:

  • Bereitstellung hochwertiger Weltraumwetterdaten und -dienste, um Risiken für die Technologie zu mindern;
  • Bereitstellung von Beratungsdiensten für Regierungsbehörden;
  • Anleitung zur optimalen Aufgabenverteilung zwischen kommerziellen Anbietern und Regierungsbehörden geben;
  • vertreten die Interessen kommerzieller Anbieter;
  • repräsentieren kommerzielle Fähigkeiten im nationalen und internationalen Bereich;
  • Best Practices entwickeln.

Eine Zusammenfassung der breiten technischen Möglichkeiten des Weltraumwetters, die von der Vereinigung zur Verfügung gestellt werden, kann auf ihrer Website http://www.acswa.us gefunden werden .

Bemerkenswerte Ereignisse

Hauptartikel: Liste der Sonnenstürme
  • Am 21. Dezember 1806 beobachtete Alexander von Humboldt , dass sein Kompass während eines hellen Polarlichtereignisses unberechenbar geworden war.
  • Der Sonnensturm von 1859 (Carrington-Ereignis) verursachte eine weit verbreitete Unterbrechung des Telegrafendienstes.
  • Die Aurora vom 17. November 1882 unterbrach den Telegrafendienst.
  • Der geomagnetische Sturm vom Mai 1921 , einer der größten geomagnetischen Stürme, unterbrach den Telegrafendienst und beschädigte weltweit elektrische Geräte.
  • Der Sonnensturm vom August 1972 , ein großes SEP-Ereignis, ereignete sich. Wären zu diesem Zeitpunkt Astronauten im Weltraum gewesen, hätte die Dosis lebensbedrohlich sein können.
  • Der geomagnetische Sturm vom März 1989 beinhaltete mehrere Weltraumwettereffekte: SEP, CME, Forbush-Abnahme, Bodenverbesserung, geomagnetischer Sturm usw.
  • Das Ereignis des Bastille-Tages 2000 fiel mit einer außergewöhnlich hellen Aurora zusammen.
  • Am 21. April 2002 wurde die Nozomi- Marssonde von einem großen SEP-Ereignis getroffen, das einen großen Ausfall verursachte. Die Mission, die bereits rund 3 Jahre hinter dem Zeitplan zurücklag, wurde im Dezember 2003 abgebrochen.

Siehe auch

Anmerkungen

Literaturverzeichnis

Weiterlesen

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  • Clark, TDG und E. Clarke, 2001. Weltraumwetterdienste für die Offshore-Bohrindustrie . In Space Weather Workshop: Ausblick auf ein zukünftiges europäisches Weltraumwetterprogramm . ESTEC, ESA WPP-194.
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Externe Links

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Andere Links