Einleitung
was ist Weltraumwetter (zum Teil bereits vorhanden: Weltraumwetter)
• Das Weltraumwetter befasst sich mit Strahlungs- und Teilchenströme des (erdnahen) Weltraums sowie resultierenden Erscheinungen in der irdischen Ionosphäre sowie Atmosphäre. Die Teilchenströme werden dafür aus zwei Quellen gespeist. Hauptquelle stellt unser nächster Stern, die Sonne, dar. Jedoch auch galaktische kosmische Strahlung der Milchstraße beeinflusst das Weltraumwetter.
• Wirkung des Weltraumwetters auf die Erde: im Umkreis von 50 000 km um die Erde (= Magnetosphäre, hier wirkt noch das Eisenmagnetfeld der Erde)
Magnetosphäre ist Hindernis für anströmenden Sonnenwind (prasselt dort auf und durchmischt die Schicht)
--> lenkt sie im großen Bogen um die Erde
von Erde aus nur bemerkbar, wenn es Sturm gibt (siehe dazu Bild 1 aus PDF "Sonnenwind und Weltraumwetter")
Veränderungen des Weltraumwetters gehen also vor allem auf die Strukturen und Variabilität der Korona zurück und werden durch das Medium Sonnenwind übertragen (in Form von Druckschwankungen auf die Magnetosphäre)
Historisches
• Beobachtungsstationen des britischen Kolonialreiches zum Magnetfeld offenbarten bereits erste Zusammenhänge zwischen den Sonnenfleckenzyklus und Schwankungen im globalen Magnetismus
• Erste Registrierung eines Sonnenwindsturms am 01.09.1859 durch englischen Astronomen Richard Carrington:
- schaute zufällig durch sein Teleskop, als sich eine riesige Explosion auf der Sonne (= sehr heller, kurzer (wenige Minuten) Lichtblitz) ereignete (zählt zu den 10 stärksten jemals beobachteten Explosionen!)
- 20 Stunden später gewaltiger magnetischer Sturm auf Erde
--> Beginn des Studiums der Sonne-Erde-Beziehung und damit des Weltraumwetters
• link zur originalarbeit von carrington: [1] - das bild darin lässt sich evtl. verwenden - es sollte eigentlich alt genug sein um kein copyright mehr zu haben...
diese seite enthält auch jede menge interessante infos und links zu den originalarbeiten
auch james stanley hey sollte erwähnt werden, der die radiostrahlung der sonne entdeckt hatte weil sie eine radarstation im 2ten weltkrieg gestört hatte.
• Carrington vermutete Zusammenhang von Flares mit geomagnetischen Effekten: musste revidiert werden. Denn primär CMEs bzw. die von ihnen verursachten Stoßwellen und Magnetfeldverbiegungen verursachen Zittern im Erdmagnetismus
• Entdeckung der CMEs erst 1971 wegen schlechter Sichtbarkeit der Korona (siehe: Forschung)
(Klärung der Bedeutung noch später)
Phänomene
• Schwankungen des Sonnenwindes (vor allem Stürme): Unterschiedliche Quellen in der Korona bestimmen unterschiedliche Eigenschaften
• Sonnenzyklen (und deren Auswirkungen auf die Erde)
• koronale Massenauswürfe (CME: coronal mass ejections): riesige Gaswolken von einigen 10 Billionen kg werden mit großen Geschwindigkeiten ausgestoßen
- nur sichtbar mit Koronographen
--> Störungen des Geomagnetismuses
• Solare Eruptionen (engl. flares): wenige Minuten andauernder heller Lichtblitz in einem eng begrenzten Gebiet auf der Sonne
- tausendfache Erhöhung der Röntgenstrahlen und der energiereichen Protonen und Elektronen (bis etwa 100 MegaEV), teilweise sogar Freisetzung von Gammastrahlen
- Flares treten in sehr unterschiedlichen Stärken auf --> sehr unterschiedliche Intensitäten der Strahlung
- besonders starke Ereignisse häufen sich in den Jahren kurz vor und nach einem Aktivitätsmaximum: manchmal bis zu 10 Röntgenflares pro Tag
--> hohe Strahlungseinwirkung auf Erde
• Wirkungen auf die Magnetosphäre und die Atmosphäre der Erde
• galaktische kosmische Strahlung: erzeugt durch ihre enorm hohe Geschwindigkeit bei Auftreffen auf die Erdatmosphäre neue Teilchen, die sekundäre kosmische Strahlung, die vor allem Luftfahrt und Flugzeugpersonal durch erhöhte Stahlenbelastung gefährdet
• Meteoroiden & Weltraumtrümmer
Ursachen
• eruptive Ereignisse auf der Sonne --> dramatische Schwankungen des Sonnenwinds:
explosionsartig werden dabei gewaltige Energiemengen freigesetzt und riesige Gasblasen in den Weltraum geblasen --> Stoßwellen --> "erschüttern das Sonnensystem"
• ihre Wechselwirkung mit der Magnetosphäre und der Atmosphäre der Erde (siehe dazu Einleitung)
• Entstehung von CMEs: vielfach aus großskaligen Protuberanzen (=lange Schläuche aus relativ kaltem Gas, die in die heiße Korona eingebettet sind)
- sichtbar im roten Licht der H-alpha-Linie über dem Sonnenrand
- werden von magnetischen Arkaden gehalten/getragen und harren oft monatelang stabil aus. Lösen sich unerwartet und abrupt von der Sonne und fliegen wie losgelassene Ballons mit großer Geschwindigkeit davon
- verbiegen das interplanetare Magnetfeld (IMF) stark (im Normalfall ist die Richtung des IMF etwa radial (abgesehen von der generellen Spiralform, die durch die Sonnenrotation entsteht)und liegt insbesondere in der Erdbahnebene.)
Durch CMEs kann das IMF weit aus ihr herausgedreht werden. Wenn dabei eine nach Süden gerichtete Feldkomponente entsteht, kommt es an der Frontseite der Magnetosphäre zu einem magnetischen Kurzschluss mit den dort nordwärts gerichteten Feldlinien des irdischen
Magnetfeldes. Es entsteht eine direkte Verbindung von interplanetaren mit irdischen Magnetfeldlinien, längs derer nun geladene Teilchen von außen in die Magnetosphäre eindringen können.
--> Massive Störungen des Weltraumwetters
• galaktische kosmische Strahlung
- besteht aus extrem energiereichen Teilchen (oberhalb 1 GigaEV)
--> Auswirkungen bis auf Erdoberfläche
(insbesondere tragen die Teilchen zur Ionisierung von Atomen in der Stratosphäre in 10 bis 20 km Höhe bei und damit zur Entstehung von Kondensationskeimen für die Wolkenbildung
--> Beeinflussung des irdischen Wetters/Klimas
- Intensität schwankt antizyklisch zur Sonnenaktivität: werden dann durch die verstärkten Turbolenzen im gesamten heliosphärischen Plasma besser abschirmt als zu inaktiveren Phasen. Diese Turbolenzen entstehen durch die Vielzahl von interplanetaren Stoßwellen der aktiven Sonne. Sie laufen großräumig schalenförmig nach außen, vereinigen sich miteinander und bilden eine Art Schutzschirm für das innere Sonnensystem.
Auswirkungen
• geomagnetische Stürme: sichtbar an den Schwankungen der Kompassnadel, führt zu Irritationen bei Tieren, die sich vom Magnetfeld der Erde leiten lassen (Bsp. Brieftauben)
• durch Veränderung des irdischen Magnetfeldes -> Induktionsströmen in Überlandleitungen und Störungen im Funkverkehr, Ausfall von Transformatoren -> Stromausfall (März 1989 in Quebec, Kanada) -> hohe finanzielle Einbußen
• Bedeutung des Erdmagnetfeldes als Schutz vor dieser Strahlung !!! -> verhindert das Eindringen der Strahlung, wirkt bis zu einem gewissen Grad ableiten
• Flares erzeugen vielfach höhere Radio- und Röntgenstrahlung
- Veränderung der Ionosphäre -> Störungen im (Kurzwellen-)Funkverkehr und Signalempfang
- Erwärmung der oberen Atmosphärenschichten durch erhöhte Strahlungsmengen -> Ausdehnung
-> Satelliten können dadurch "taumeln" oder sogar abstürzen
• Störungen der Satellitenkommunikation und -navigation durch Beschädigung der Bauelemente
- zeitweiliges Szintillieren von Fernsehkameras
- Gefahr für Astronauten
--> Ursache: Einprasseln extrem energiereicher Teilchen nach einem Flare
• Sonneneruptionen führen zu höheren Flüssen an hochenergetischen Teilchen:
- die elektronische Bauteile stören oder zerstören können
- Ausschussrate bei der Anfertigung von Halbleiterelementen steigt während der Magnetstürme, Störung industrieller Produktionen, wie z. B. Computerchip-Herstellung, Zusammenbrüche von Hochspannungsnetzen, Korrosion in Öl-Pipelines
- die bemannte Raumfahrt gefährden, stellen vor allem für Flugpersonal und Astronauten ein erhöhtes Gesundheitsrisiko (Krebsrisiko steigt) dar, da die Fluggeräte gegen so starke galaktische kosmische Strahlungen nicht abgeschirmt sind (Konzentration dieser Teilchen nach einem großen Flare kann für Astronauten tödlich enden)
• Polarlichter: durch Anregung und Ionisation der oberen Atmosphäre durch Elektronen und Protonen der CMEs
• langfristige Einflüsse auf das irdische Klima (Ozonkonzentration, Wolkenbildung, Treibhauseffekt etc.) -> Korrelation zwischen Sonnenzyklus und Wasserstand des Nils konnte nachgewiesen werden
Forschung
• Vorhersagen zum Weltraumwetter sind erforderlich, um die Auswirkungen auf Gesellschaft und Wirtschaft zu reduzieren
• Ursachen der Entstehung von Flares und CMEs noch weitgehend unklar --> keine verlässlichen Hinweise für bevorstehende Eruptionen und deren Stärke bekannt
--> Vorhersage nicht möglich
- bei sehr großen Ereignissen treten CMEs und Flares im engen zeitlichen Zusammenhang auf --> Ursachen und Wirkungen schwer unterscheidbar
- auch getrennte Auftreten vorgekommen
--> Vermutung: beides Produkte tiefer liegender Ursache
• Beobachtung von koronalen Massenauswürfen/CMEs mit Hilfe von Koronographen (möglichst vom Weltraum aus):
künstliche Abdeckung der Sonnenscheibe --> millionenfach schwächere Korona wird sichtbar
• bei der ESA wurde eine Space Weather Working Team (SWWT)-> Auswertung der Satelliten SOHO und Cluster (vor allem mit Hilfe deren Teleskope), die Sonnenaktivitäten erforschen bzw. Wechselwirkungen zwischen Sonnenwind und Erdmagnetfeld aufzeichnen
• Oktober 2003: gewaltigster CME der letzten 20 Jahre in allen Einzelheiten beobachtet --> Polarlichter auch über Deutschland
Siehe auch
Quellen
Bilder
• Unterschied zwischen irdischem und Weltraumwetter: verschiedene Strahlungseinflüsse auf Erde Sonnenwind und Weltraumwetter - Bild auf Seite 15
• ausgedehnte Sonnenkorona: Sonnenwind und Weltraumwetter - Bild auf Seite 16
• Röntgenflare: Sonnenwind und Weltraumwetter - Bild auf Seite 17
• CME: Sonnenwind und Weltraumwetter - Bild auf Seite 18
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In Anlehnung an die atmosphärischen Wetterphänomene werden unter Weltraumwetter kurzfristige Variationen des interplanetaren Mediums (seltener auch des interstellaren Mediums) zusammengefasst. Ursache für diese Variationen liegen in der Wechselwirkung hochenergetischer Strahlung (Elektromagnetische Strahlung, Kosmische Strahlung) mit Materie (interplanetare/interstellare Materie), die beide variieren können. Von besonderer Bedeutung ist das Weltraumwetter in der unmittelbaren Umgebung der Erde, die vor allem durch die Wechselwirkung des Sonnenwindes und des Magnetfeldes mit der Magnetosphäre und der der äußeren Atmosphäre der Erde bestimmt wird.
Das Space Environment Center, ein Teil der US-amerikanischen Behörde für Meeres- und Atmosphärenforschung (NOAA) untersucht den Sonnenwind und seine Auswirkungen auf Satelliten, Kommunikationssysteme und das Magnetfeld der Erde (Polarlichter, Geomagnetische Stürme). Gleichzeitig gibt das Space Environment Center auch Vorhersagen und Warnungen vor starker Sonnenaktivität heraus.